航空航天、交通運(yùn)輸和武器裝備等領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p量化的需求日益迫切，同時(shí)許多部件/構(gòu)件的服役溫度逐漸跨越到250℃-400℃范圍內(nèi)，輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱的新型金屬材料應(yīng)用潛力巨大。但不幸的是合金的耐熱溫度一般地與其熔點(diǎn)和比重正相關(guān)，即熔點(diǎn)越高、比重越大其耐熱溫度越高，反之亦然，因此輕質(zhì)低熔點(diǎn)耐熱合金的研發(fā)就成為了金屬材料領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。相對(duì)于其它金屬材料，鋁合金是在該溫度范圍內(nèi)使用最具競(jìng)爭(zhēng)力的一類高強(qiáng)輕合金材料。但是傳統(tǒng)鋁合金中賴以強(qiáng)化的納米沉淀相顆粒在200℃以上溫度將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的粗化，使其對(duì)基體的強(qiáng)化效果損失嚴(yán)重；特別是在施加外力的高溫蠕變工況下，傳統(tǒng)鋁合金材料將發(fā)生快速軟化、導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。如何提高納米沉淀相顆粒的熱穩(wěn)定性、進(jìn)而改善高強(qiáng)鋁合金的抗高溫蠕變性能，是鋁合金甚至輕合金體系的國(guó)際性科學(xué)與技術(shù)難題。

針對(duì)耐熱高強(qiáng)鋁合金的重大需求，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉剛教授和孫軍院士團(tuán)隊(duì)開展了持續(xù)研究。近日，該團(tuán)隊(duì)博士研究生薛航與青年教師楊沖、張鵬、張金鈺和劉福柱合作，在400°C級(jí)別耐熱高強(qiáng)鋁合金材料的研發(fā)上取得了突破。他們提出了納米沉淀相顆粒晶格間隙位置異質(zhì)原子有序化的全新熱穩(wěn)定化設(shè)計(jì)策略，在常見的Al-Cu-Mg-Ag合金中添加微量稀土Sc原子，采用雙級(jí)時(shí)效工藝克服了慢擴(kuò)散原子Sc與快擴(kuò)散原子Cu之間有效耦合在時(shí)間上的“失配”，在原有納米沉淀相Ω的基礎(chǔ)上，通過原位相變路徑實(shí)現(xiàn)了這兩類原子在空間上的周期性自組裝(圖1)，形成了具有極高熱穩(wěn)定性、同時(shí)具有大體積百分?jǐn)?shù)的一種新型納米沉淀相顆粒(命名為V相)。該納米沉淀相顆粒即使在400°C(>0.7倍鋁合金絕對(duì)熔點(diǎn)溫度)的長(zhǎng)時(shí)服役(>200小時(shí))后仍未見粗化，保持了完美的界面共格結(jié)構(gòu)，從而使得材料表現(xiàn)出超常的高溫力學(xué)性能：400oC拉伸強(qiáng)度>100 MPa，超過所有報(bào)導(dǎo)的鋁合金1倍以上；400°C下拉伸蠕變穩(wěn)態(tài)蠕變塑性與所有報(bào)導(dǎo)的高強(qiáng)鋁合金或鋁基復(fù)合材料相比降低了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，特別是在10-7/s臨界穩(wěn)態(tài)蠕變速率下蠕變應(yīng)力突破了40 MPa(圖2)。這一高性能耐熱鋁合金的研制成功突破了高強(qiáng)鋁合金的服役溫度極限，為開發(fā)新型的耐高溫輕質(zhì)金屬材料提供了微觀組織設(shè)計(jì)思路。特別地，研究工作還發(fā)現(xiàn)了Ω沉淀相界面上共格臺(tái)階提供Sc原子擴(kuò)散浸入通道的相變新機(jī)制(圖3)，這是1960年代Aaronson提出臺(tái)階為盤片狀納米沉淀相顆粒生長(zhǎng)機(jī)制以來，所揭示的臺(tái)階另一個(gè)功能性作用，拓展了臺(tái)階在金屬材料固態(tài)相變中的調(diào)控潛力。

圖1 Ω相(a&b)與V相(d&e)晶體結(jié)構(gòu)的HAADF照片及其對(duì)比，Sc原子在間隙位置的周期性分布可從HAADF照片以及能譜圖(c&f)上確定

圖2 所研發(fā)的新型耐熱鋁合金在400°C下的拉伸曲線(a)和蠕變性能(b)及其與其它鋁合金/鋁基復(fù)合材料的對(duì)比(a中插入圖為室溫屈服強(qiáng)度vs 400°C拉伸強(qiáng)度的對(duì)比)

圖3原位相變過程中界面臺(tái)階(CL)提供Sc原子擴(kuò)散通道并誘發(fā)Ω相→V相相變的原子尺度HAADF和三維原子探針(APT)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：a、b和c分別代表相變前、相變中和相變后。圖d顯示出一個(gè)Ω相在多處同時(shí)發(fā)生了V相原位轉(zhuǎn)變(V-1,V-2,V-3)，每一處相變位置均與共格臺(tái)階有關(guān)

相關(guān)研究結(jié)果以“Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering”為題在線發(fā)表在Nature Materials上，博士生薛航和楊沖副教授為文章共同第一作者，劉剛教授和孫軍院士為共同通訊作者。文章的合作者還包括法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)的F.De Geuser博士和A.Deschamps教授，蘭州大學(xué)陳斌博士和彭勇教授，以及意大利帕多瓦大學(xué)的邊建軍博士。

Nature Materials期刊同時(shí)還發(fā)表了由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合金設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人A.Shyam博士署名的、題目為“耐熱鋁合金”的專題評(píng)述文章，認(rèn)為該工作“創(chuàng)制新型納米沉淀相的合金設(shè)計(jì)新策略，使得所制備的鋁合金在近乎其絕對(duì)溫度熔點(diǎn)的80%，即高達(dá)400°C下仍然具有史無(wú)前例的高強(qiáng)度和抗高溫蠕變性能，將對(duì)航空航天、交通運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵部件用、近熔點(diǎn)溫度下服役的合金設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用及其未來發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響”。

該團(tuán)隊(duì)近年來專注于高強(qiáng)鋁合金的熱穩(wěn)定化研究，先后提出了沉淀相界面溶質(zhì)偏聚、多層級(jí)組織界面共格互鎖、高濃度空位復(fù)合體化、沉淀相間隙有序化等多個(gè)微觀組織設(shè)計(jì)策略，分別形成了300-400°C溫度段高溫瞬時(shí)和高溫持久的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了4個(gè)不同體系的新型耐高溫鋁合金材料，分別在哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司和中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司完成了大尺寸鑄件、板材和鍛件的中試實(shí)驗(yàn)，所制備的材料正在航天科工和中航工業(yè)多家單位開展應(yīng)用合作研究，并入選了中央軍委科技委全軍重點(diǎn)推廣項(xiàng)目手冊(cè)。同時(shí)還在Nature Communications、Acta Materialia、Materials Research Letters等期刊上發(fā)表了一系列文章，并獲得了Materials Research Letters期刊首屆唯一一篇“最具影響力”論文獎(jiǎng)。

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、111引智基地等項(xiàng)目的資助。文章鏈接地址：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01420-0