本文介紹西安交通大學(xué)孫軍院士最近在《金屬學(xué)報》上發(fā)表的關(guān)于耐熱鋁合金的研究論文?！?/p>

　　背景問題

輕量化是航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標的核心需求，而鋁合金作為輕量化結(jié)構(gòu)材料的代表，其高溫性能不足成為關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)高強鋁合金（如Al-Cu、Al-Zn-Mg系）依賴納米沉淀相（如θ'、Ω相）的時效強化，但這些相在200℃以下穩(wěn)定，300~400℃高溫下因溶質(zhì)原子快速擴散和Ostwald熟化效應(yīng)導(dǎo)致沉淀相粗化，強度急劇下降（如7075鋁合金300℃強度僅為室溫的10%）。隨著高速飛行器、超音速運輸工具的發(fā)展，亟需開發(fā)可在300~400℃長期服役的耐熱鋁合金。

　　設(shè)計策略

作者團隊提出快擴散溶質(zhì)原子(如Cu、Zn、Mg等)與慢擴散溶質(zhì)原子(過渡族金屬如Zr、Sc、Ti等)耦合以制備高熱穩(wěn)定性、大體積分數(shù)強化相的微觀組織設(shè)計策略的微觀組織設(shè)計策略，通過微合金化調(diào)控界面能與擴散動力學(xué)，實現(xiàn)沉淀相熱穩(wěn)定化：

（1）沉淀相界面原子偏聚設(shè)計

原理：利用慢擴散元素（如Sc、Zr）在沉淀相（如θ'-Al?Cu）界面偏聚，降低界面能（熱力學(xué)抑制）并阻礙快擴散原子（Cu）遷移（動力學(xué)抑制）。

案例：Al-Cu-Sc合金通過三級熱處理，使Sc原子在θ'相界面形成“防熱層”，300℃穩(wěn)態(tài)蠕變速率降低2~3個數(shù)量級。

（2）異質(zhì)原子間隙有序化設(shè)計

原理：將慢擴散元素（如Sc）引入沉淀相（如Ω-Al?Cu）間隙位置，增強原子結(jié)合能，提升溶解勢壘。

案例：Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金中Sc原子在Ω相間隙有序占位，形成高熱穩(wěn)定性V相，400℃拉伸強度超100 MPa（較其他鋁合金材料提升1倍以上）。

（3）多級異質(zhì)相界面共格耦合設(shè)計

原理：結(jié)合微米級共晶相（如Al??Ce?）與納米級沉淀相（如θ'-Al?Cu），通過界面共格化（如Al?Sc中間層）協(xié)調(diào)變形能力。

案例：Al-Ce-Cu-Sc合金中多層級界面結(jié)構(gòu)使300℃蠕變應(yīng)力閾值超80 MPa，兼具抗蠕變與室溫強度。

　　主要意義

科學(xué)價值：提出“界面能-擴散協(xié)同調(diào)控”新機制，突破傳統(tǒng)時效強化理論局限。揭示多層級組織（原子偏聚、間隙有序、共格耦合）對熱穩(wěn)定性的跨尺度作用規(guī)律。構(gòu)建“熱力學(xué)-動力學(xué)-工藝參數(shù)”全鏈條設(shè)計框架，為耐熱材料開發(fā)提供普適性方法。

工程應(yīng)用：Al-Cu-Sc板材已批量生產(chǎn)，已在相關(guān)航空航天單位開展了應(yīng)用合作研究。Al-Cu-Mg-Ag-Sc鍛件完成中試和小批量生成，并應(yīng)用于相關(guān)航空航天構(gòu)件上。Al-Ce-Cu-Sc大尺寸鑄件通過臺架試驗，將用于航空關(guān)鍵部件。

　　未來展望

耐熱鋁合金的未來發(fā)展仍將以大體積分數(shù)、高熱穩(wěn)定性第二相的精細調(diào)控以及多層級復(fù)合為主，結(jié)合材料設(shè)計新原理與制備新方法，進一步突破溫度極限和服役瓶頸。其中以下幾方面值得特別關(guān)注：

（1）在材料設(shè)計方面，發(fā)展新型多元素納米沉淀相顆粒，探索高熵組元納米第二相和超大體積分數(shù)共格納米第二相，同時細化、韌化共晶相組織；

（2）在材料制備方面，重點關(guān)注以增材制造為代表的快冷速或亞快冷速制備方法，通過主合金元素以及過渡族微合金元素的高固溶以及空位等晶體缺陷密度的大幅提高，探索奇異固態(tài)相變行為；

（3）在材料服役方面，揭示高溫下的變形斷裂行為及其內(nèi)在機理，闡明多層級特征微觀組織的耦合強韌化作用，澄清熱-力外場下微觀組織動態(tài)演變規(guī)律及其對服役壽命的影響?！薄獙O軍等,《金屬學(xué)報》,2025。

　　論文信息

耐熱鋁合金：組織設(shè)計與合金制備

孫軍,劉剛,楊沖,張鵬,薛航

通訊作者：孫軍（西安交通大學(xué)）

金屬學(xué)報,2025,61(4):521-525.

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2024.00345?sessionid=530461106

論文部分圖片，孫軍等,《金屬學(xué)報》,2025