天津大學材料學院何春年團隊Nature Materials：耐500℃超強鋁合金

2024-04-28科學

輕質高強耐熱鋁合金是航空航天、交通運輸等領域需求日益迫切的重要基礎材料。氧化物彌散強化（Oxide Dispersed Strengthened, ODS）合金具有高的熱穩定性和高溫力學效能，如能在鋁合金內引入細小彌散分布的氧化物納米顆粒有望大幅提高其耐熱效能。然而目前，ODS合金主要透過內氧化或金屬基體還原等化學方法制備，該方法不適用於鋁、鈦、鎂等不可化學還原輕質金屬。為此，天津大學材料學院何春年教授團隊創新地提出了一種「界面置換」分散策略，成功實作了全共格、高密度的~5 nm MgO顆粒在鋁合金中的單粒子級均勻分布，從而使所制備的ODS鋁合金在高達500 ℃的溫度下仍然具有史無前例的抗拉強度（~200 MPa）與抗高溫蠕變效能。該工藝過程簡單、物料成本低廉、易於規模化生產，因而具有顯著的工業套用價值。

相關研究成果以「Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys」為題發表於Nature Materials期刊上。論文第一作者為博士生白翔仁，通訊作者為何春年教授與張翔副研究員，合作作者有天津大學趙乃勤教授、趙冬冬副教授、劉恩佐副教授、戎旭東副研究員、博士生謝昊男、河北工業大學靳慎豹副教授。該工作得到了國家傑出青年基金、國家自然科學基金重點專案等專案的資助。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01884-2

航空航天、交通運輸等領域提速減重的重大需求對輕質金屬材料的耐熱效能提出了更高要求，傳統鋁合金由於高溫下析出相粗化力學效能急劇下降，300 ℃以上服役效能已達瓶頸（300 ℃抗拉強度小於200 MPa，500 ℃抗拉強度小於50 MPa）。由此對於當前航空航天等重要領域最為關心的300~500 ℃溫度區間，鋁合金使役時出現的力學效能迅速衰退成為大動力/大功率工作條件下制約結構設計、影響服役安全的關鍵短板。因此，持續推進中國關於耐熱高強鋁合金的自主研發工作，特別是面向300~500 ℃中高溫、高應力的耐熱鋁合金材料具有重要意義。

目前，提高鋁合金耐熱效能的途徑主要有兩個：一是提升析出相的熱穩定性；另一條出路是引入高穩定性的陶瓷相納米顆粒。相比於前者，陶瓷顆粒通常具有較高的熔點（>1000 ℃）與彈性模量，因而具有更高的熱穩定性和變形穩定性。其中，氧化物陶瓷顆粒由於具有優良的強度、熱傳導、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、低成本等特性，備受研究者青睞，如研究者在眾多金屬體系（如鐵、銅、鎳、鈦、鉬等）中透過原位合成氧化物納米顆粒的思路實作了優異的高溫力學效能。然而，以上實作彌散分布的原理是基於氧化物顆粒在基體內溶解—析出或是液相混合後將金屬前驅體還原成金屬基體，對於與氧反應活性高、不可化學還原的輕金屬材料如鋁、鎂、鈦等，上述方法則無法適用。迄今為止，如何在鋁合金中實作納米氧化物彌散強化進而改善其高溫力學效能，仍是鋁合金甚至輕合金體系的國際性科學與技術難題。

為此，天津大學材料學院何春年教授團隊提出並透過「界面置換」分散策略制備了5 nm級ODS鋁合金，即首先利用金屬鹽前驅體分解過程中的自組裝效應制得了少層石墨包覆的超細MgO顆粒（~5 nm），將納米顆粒之間較強結合的化學鍵替換為石墨包覆層之間較弱的範德華力結合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2~3個數量級；在此基礎上，透過簡單的機械球磨-粉末冶金工藝實作了高體積分數（8 vol.%）的單粒子級超細MgO顆粒在鋁基體內的均勻分散。研究發現，該材料具有超高的顆粒密度（~9×1023m-3）和界面密度（~1.4×108m-1），且MgO顆粒與鋁基體之間的界面具有完美的全共格特性，並形成了Mg-O-Al的強結合，這類界面有效抑制了空位與原子沿界面和跨界面擴散，顯著降低了界面處的原子擴散速率，因而該ODS鋁合金展示出極其突出的高溫力學效能與抗高溫蠕變效能，其在300 ℃和500 ℃下的抗拉強度分別為420 MPa和200 MPa；在500 ℃-80 MPa的蠕變條件下，穩態蠕變速率為~10-7 s-1，大幅超越了國際上已報道的鋁基材料的最好水平。

該工作發展了針對輕質金屬材料「高分散性-超細顆粒尺寸-界面共格」協同調控的制備新技術，揭示了超細納米顆粒增強輕質金屬的超常耐熱機制，並為開發耐熱高強輕質金屬材料及其航空航天、交通運輸等重要領域套用提供了新思路。

研究工作在Nature Materials上發表後，國際著名金屬材料專家、法國格勒諾布爾國立理工學院Alexis Deschamps教授在Nature Materials的News&views欄目，以「Nano-oxides boost aluminium heat resistance」為題，對這一工作的重要性和潛在影響做了詳細的評論和深入解讀，認為該工作「發展了新型超細納米氧化物彌散強化合金設計新策略，使得所制備的鋁合金在高達500 °C時仍具有前所未有的高拉伸強度和抗高溫蠕變效能；發現了超細氧化物/金屬高度共格特性對界面處空位形成的強烈抑制並阻礙晶粒粗化的新機制，也為鋁合金在高溫環境中的套用開辟了嶄新領域，具有更輕質的優勢使它們能夠與某些鈦合金一較高下」。