西安交大研制出抗300度高溫蠕變的鋁合金

現(xiàn)代科技發(fā)展對結(jié)構(gòu)金屬材料提出了更加嚴(yán)格的要求，一方面希望材料更輕以滿足輕量化需求，另一方面還希望材料耐更高的溫度以保證在大動力/大功率時的服役安全。但是通常金屬材料的安全服役溫度與材料密度呈現(xiàn)反向關(guān)系，使得材料的選擇往往顧此失彼。特別地，當(dāng)今航空航天、交通運(yùn)輸?shù)戎匾I(lǐng)域內(nèi)的許多部件/構(gòu)件服役溫度逐漸跨越到250℃-400℃的范圍，但相應(yīng)的輕質(zhì)合金材料卻難以承受其“高溫”。相對于其它輕質(zhì)金屬材料，鋁合金是最有希望在該溫度范圍內(nèi)使用的輕合金。但是在傳統(tǒng)鋁合金中，其賴以強(qiáng)化的納米第二相顆粒在250℃以上溫度時將會發(fā)生嚴(yán)重的粗化，強(qiáng)化效果損失嚴(yán)重。在同時外加應(yīng)力的高溫蠕變情況下，傳統(tǒng)鋁合金材料將發(fā)生快速軟化、導(dǎo)致最終的失穩(wěn)。如何提高納米第二相顆粒的高溫穩(wěn)定性、進(jìn)而改善鋁合金的抗高溫蠕變性能，成為了鋁合金甚至是輕合金體系“卡脖子”的難題。

近日，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實驗室博士生高一涵、楊沖與青年教師張金鈺在劉剛和孫軍教授的指導(dǎo)下，與美國約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、重慶大學(xué)曹玲飛教授合作，在新型抗高溫蠕變鋁合金材料的研發(fā)上取得了突破。他們基于納米第二相顆粒界面原子偏聚的微觀組織設(shè)計思想，通過在原子層次解析不同溶質(zhì)原子之間的交互作用，借助相關(guān)的熱力學(xué)/動力學(xué)分析，選用常見的Al-Cu合金并結(jié)合Sc元素的微合金化作用，在巧妙的熱處理工藝下，實現(xiàn)了Sc原子在Al2Cu強(qiáng)化相顆粒界面的高濃度偏聚，相當(dāng)于給Al2Cu強(qiáng)化相顆粒穿上了一件“外衣”，顯著地抑制了該顆粒在高溫下的粗化長大。同時還額外析出了穩(wěn)定的Al3Sc顆粒，使得這兩類本來不在相同時效溫度范圍內(nèi)析出的強(qiáng)化相顆粒和諧地共存。這種微觀組織結(jié)構(gòu)讓普通的Al-Cu合金不再普通，而是具有了超常的抗高溫蠕變性能：在300oC以及大于30MPa外加應(yīng)力的苛刻蠕變環(huán)境下，可安全服役長達(dá)350小時以上；如果外加應(yīng)力在20MPa以下，蠕變壽命可超過2000小時。與前人所報道的鋁合金（包括Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系、Al-Si系和Al-Sc系）和鋁合金復(fù)合材料（添加陶瓷第二相顆粒如Al2O3和SiC）相比，此新型Al-Cu-Sc合金在相同的服役條件下其高溫蠕變性能提高了2-3個數(shù)量級。

相關(guān)部分結(jié)果發(fā)表在Materials Research Letters 7(2019)18-25上。目前該材料已經(jīng)得到了行業(yè)內(nèi)的密切關(guān)注，其中中航集團(tuán)和國家電網(wǎng)的相關(guān)單位均希望能盡快推動該材料的工業(yè)應(yīng)用。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、111引智基地等項目的資助。

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