作者:张翔等 来源:《自然-材料》 发布时间:2024/4/28 11:32:22
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天津大学实现耐500℃超强铝合金

 

轻质高强耐热铝合金是航空航天、交通运输等领域需求日益迫切的重要基础材料。氧化物弥散强化(Oxide Dispersed Strengthened, ODS)合金具有高的热稳定性和高温力学性能,如能在铝合金内引入细小弥散分布的氧化物纳米颗粒有望大幅提高其耐热性能。然而目前,ODS合金主要通过内氧化或金属基体还原等化学方法制备,该方法不适用于铝、钛、镁等不可化学还原轻质金属。为此,天津大学材料学院何春年教授团队创新地提出了一种“界面置换”分散策略,成功实现了全共格、高密度的~5 nm MgO颗粒在铝合金中的单粒子级均匀分布,从而使所制备的ODS铝合金在高达500℃的温度下仍然具有史无前例的抗拉强度(~200 MPa)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。

2024年4月26日,相关研究成果以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”为题发表在Nature Materials期刊上。论文第一作者为博士生白翔仁,通讯作者为何春年教授与张翔副研究员,合作作者有天津大学赵乃勤教授、赵冬冬副教授、刘恩佐副教授、戎旭东副研究员、博士生谢昊男、河北工业大学靳慎豹副教授。

航空航天、交通运输等领域提速减重的重大需求对轻质金属材料的耐热性能提出了更高要求,传统铝合金由于高温下析出相粗化力学性能急剧下降,300℃以上服役性能已达瓶颈(300℃抗拉强度小于200 MPa,500 ℃抗拉强度小于50 MPa)。由此对于当前航空航天等重要领域最为关心的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大动力/大功率工作条件下制约结构设计、影响服役安全的关键短板。因此,持续推进我国关于耐热高强铝合金的自主研发工作,特别是面向300~500 ℃中高温、高应力的耐热铝合金材料具有重要意义。

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;另一条出路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(>1000 ℃)与弹性模量,因而具有更高的热稳定性和变形稳定性。其中,氧化物陶瓷颗粒由于具有优良的强度、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、低成本等特性,备受研究者青睐,如研究者在众多金属体系(如铁、铜、镍、钛、钼等)中通过原位合成氧化物纳米颗粒的思路实现了优异的高温力学性能。然而,以上实现弥散分布的原理是基于氧化物颗粒在基体内溶解—析出或是液相混合后将金属前驱体还原成金属基体,对于与氧反应活性高、不可化学还原的轻金属材料如铝、镁、钛等,上述方法则无法适用。迄今为止,如何在铝合金中实现纳米氧化物弥散强化进而改善其高温力学性能,仍是铝合金甚至轻合金体系的国际性科学与技术难题。

为此,天津大学材料学院何春年教授团队提出并通过“界面置换”分散策略制备了5nm级ODS铝合金,即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MgO颗粒(~5 nm),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粘附力降低了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(8 vol.%)的单粒子级超细MgO颗粒在铝基体内的均匀分散。研究发现,该材料具有超高的颗粒密度(~9×1023 m-3)和界面密度(~1.4×108 m-1),且MgO颗粒与铝基体之间的界面具有完美的全共格特性,并形成了Mg-O-Al的强结合,这类界面有效抑制了空位与原子沿界面和跨界面扩散,显著降低了界面处的原子扩散速率,因而该ODS铝合金展示出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420MPa和200MPa;在500℃-80 MPa的蠕变条件下,稳态蠕变速率为~10-7 s-1,大幅超越了国际上已报道的铝基材料的最好水平。

图1:超细MgO纳米颗粒在铝基体中的均匀分散。

图2:材料优异的室/高温力学性能。

图3:优异的蠕变性能。

图4:全共格的MgO/Al界面结合。

图5:优异的高温稳定性。

该工作发展了针对轻质金属材料“高分散性-超细颗粒尺寸-界面共格”协同调控的制备新技术,揭示了超细纳米颗粒增强轻质金属的超常耐热机制,并为开发耐热高强轻质金属材料及其航空航天、交通运输等重要领域应用提供了新思路。

研究工作在Nature Materials上发表后,国际著名金属材料专家、法国格勒诺布尔国立理工学院Alexis Deschamps教授在Nature Materials的News&views栏目,以“Nano-oxides boost aluminium heat resistance”为题,对这一工作的重要性和潜在影响做了详细的评论和深入解读,认为该工作“发展了新型超细纳米氧化物弥散强化合金设计新策略,使得所制备的铝合金在高达500°C时仍具有前所未有的高拉伸强度和抗高温蠕变性能;发现了超细氧化物/金属高度共格特性对界面处空位形成的强烈抑制并阻碍晶粒粗化的新机制,也为铝合金在高温环境中的应用开辟了崭新领域,具有更轻质的优势使它们能够与某些钛合金一较高下”。

该工作得到了国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目等项目的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-024-01884-2

 
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