新方法实现超强铝合金制备

天津大学教授何春年团队创新性地提出了一种“界面置换”分散策略,成功实现了约5纳米的氧化物颗粒在铝合金中的单粒子级均匀分布,从而使所制备的氧化物弥散强化铝合金在高达500℃的温度下,仍具有史无前例的抗拉强度(约200兆帕)与抗高温蠕变性能。该工艺过程简单、物料成本低廉、易于规模化生产,因而具有显著的工业应用价值。相关研究成果近期发表于《自然-材料》。

航空航天、交通运输等领域提速减重的需求,对轻质金属材料的耐热性能提出了更高要求。传统铝合金在300℃以上服役性能就达到瓶颈,因此,对于当前航空航天等重要领域最为关注的300℃~500℃温度区间,铝合金使役时出现的力学性能迅速衰退成为制约结构设计、影响服役安全的关键短板。

目前,提高铝合金耐热性能的途径主要有两个:一是提升析出相的热稳定性;二是引入高稳定性的陶瓷相纳米颗粒。相比于前者,陶瓷颗粒通常具有较高的熔点与弹性模量,因而具有更高的热稳定性和变形稳定性。其中,氧化物陶瓷颗粒备受研究者青睐。然而,以上途径的原理不适用于与氧反应活性高、不可化学还原的轻金属材料如铝、镁、钛等。

为此,何春年团队提出并通过“界面置换”分散策略,制备了5纳米级氧化物弥散强化铝合金。他们首先利用金属盐前驱体分解过程中的自组装效应制得了少层石墨包覆的超细氧化物颗粒,将纳米颗粒之间较强结合的化学键替换为石墨包覆层之间较弱的范德华力结合,从而使纳米颗粒之间的黏附力降低了2~3个数量级。在此基础上,通过简单的机械球磨-粉末冶金工艺实现了高体积分数的单粒子级超细氧化物颗粒在铝基体内的均匀分散,使铝合金具有极其突出的高温力学性能与抗高温蠕变性能。其在300℃和500℃下的抗拉强度分别为420兆帕和200兆帕;在500℃和80兆帕的蠕变条件下,稳态蠕变速率为10-7每秒。此性能大幅超过了国际上已报道的铝基材料的最好水平。(记者 陈彬 通讯员 白翔仁)

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01884-2

《中国科学报》 (2024-05-08第1版要闻)