輕質(zhì)高強耐熱鋁合金是航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域需求日益迫切的重要基礎(chǔ)材料。氧化物彌散強化（ODS）合金具有高的熱穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能，如能在鋁合金內(nèi)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性能。然而目前，這種合金主要通過內(nèi)氧化或金屬基體還原等化學(xué)方法制備，該方法不適用于鋁、鈦、鎂等不可化學(xué)還原輕質(zhì)金屬。為此，天津大學(xué)材料學(xué)院何春年教授團隊創(chuàng)新地提出了一種“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，從而使所制備的氧化物彌散強化鋁合金在高達500 ℃的溫度下仍然具有史無前例的抗拉強度（約200 兆帕）與抗高溫蠕變性能。該工藝過程簡單、物料成本低廉、易于規(guī)?；a(chǎn)，因而具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值。

　　相關(guān)研究成果以“超分散氧化物強化的耐熱鋁合金”為題發(fā)表于《自然材料》（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(xué)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(yè)大學(xué)靳慎豹教授。該工作得到了國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金重點項目等項目的資助。

　　航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域提速減重的重大需求對輕質(zhì)金屬材料的耐熱性能提出了更高要求，傳統(tǒng)鋁合金由于高溫下析出相粗化力學(xué)性能急劇下降，300 ℃以上服役性能已達瓶頸，300 ℃ 抗拉強度小于200 兆帕，500 ℃ 抗拉強度則小于50 兆帕。對于當前航空航天等重要領(lǐng)域最為關(guān)心的300~500 ℃溫度區(qū)間，鋁合金使役時出現(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結(jié)構(gòu)設(shè)計、影響服役安全的關(guān)鍵短板。

　　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；另一條出路是引入高穩(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（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、熱傳導(dǎo)、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、鉬等）中通過原位合成氧化物納米顆粒的思路實現(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，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，上述方法則無法適用。迄今為止，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，仍是鋁合金甚至輕合金體系的國際性科學(xué)與技術(shù)難題。

　　為此，天津大學(xué)材料學(xué)院何春年教授團隊提出并通過“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，即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結(jié)合的化學(xué)鍵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，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，其在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。

　　該工作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)耐熱高強輕質(zhì)金屬材料及其航空航天、交通運輸?shù)戎匾I(lǐng)域應(yīng)用提供了新思路。九游體育官方網(wǎng)站