輕質(zhì)高強耐熱鋁合金是航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域需求日益迫切的基礎(chǔ)材料。日前，記者從天津大學(xué)獲悉，該校材料學(xué)院教授何春年團隊創(chuàng)新性地提出了一種“界面置換”分散策略，成功實現(xiàn)了約5納米的氧化物顆粒在鋁合金中的單粒子級均勻分布，制備的氧化物彌散強化鋁合金在高達500℃的溫度下仍展現(xiàn)出史無前例的抗拉強度（約200兆帕）與抗高溫蠕變性能。論文近日發(fā)表于國際期刊《自然·材料》。
高溫下，傳統(tǒng)鋁合金力學(xué)性能急劇下降，溫度在300℃以上時，其服役性能已達瓶頸。具體而言，傳統(tǒng)鋁合金在300℃時抗拉強度小于200兆帕，而在500℃時抗拉強度則小于50兆帕。對于當(dāng)前航空航天等領(lǐng)域最為關(guān)注的300℃—500℃這一溫度區(qū)間，鋁合金服役時出現(xiàn)的力學(xué)性能迅速衰退，成為大動力/大功率工作條件下制約其結(jié)構(gòu)設(shè)計、影響服役安全的短板。
目前，提高鋁合金耐熱性能的途徑主要有兩個：一是提升析出相的熱穩(wěn)定性；二是引入高穩(wěn)定性的陶瓷相納米顆粒。相比于前者，陶瓷顆粒通常具有較高的熔點（大于1000℃）與彈性模量，因而具有更高的熱穩(wěn)定性和變形穩(wěn)定性。
其中，氧化物陶瓷顆粒由于具有優(yōu)良的強度、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕及低成本等特性，備受研究者青睞。何春年介紹，現(xiàn)有相關(guān)研究已經(jīng)通過原位合成氧化物納米顆粒的思路，在眾多金屬體系（如鐵、銅、鎳、鉬等）中實現(xiàn)了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。
“然而，以上實現(xiàn)彌散分布的原理主要是基于氧化物顆粒在基體內(nèi)溶解—析出，或是液相混合后將金屬前驅(qū)體還原成金屬基體，但對于與氧反應(yīng)活性高、不可化學(xué)還原的輕金屬材料如鋁、鎂、鈦等，上述方法則并不適用。”何春年說。
如何在鋁合金中實現(xiàn)納米氧化物彌散強化，進而改善其高溫力學(xué)性能，仍是鋁合金乃至輕合金體系的國際性科技難題。
為此，何春年團隊提出并通過“界面置換”分散策略，制備了5納米級氧化物彌散強化鋁合金。他們首先利用金屬鹽前驅(qū)體分解過程中的自組裝效應(yīng)制得了少層石墨包覆的超細氧化物顆粒，將納米顆粒之間較強的化學(xué)鍵結(jié)合替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結(jié)合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2—3個數(shù)量級。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過簡單的機械球磨—粉末冶金工藝，實現(xiàn)了高體積分數(shù)（體積分數(shù)為8%）的單粒子級超細氧化物顆粒在鋁基體內(nèi)的均勻分散，并使鋁合金展示出極其突出的高溫力學(xué)性能與抗高溫蠕變性能。該材料在300℃和500℃下的抗拉強度分別為420兆帕和200兆帕；在500℃和80兆帕的蠕變條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為10的負7次方每秒，大幅超越了國際上已報道的鋁基材料的最好水平。
該項研究揭示了超細納米顆粒增強輕質(zhì)金屬的超常耐熱機制，并為開發(fā)輕質(zhì)高強耐熱金屬材料及其在航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。
