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我國在新型抗高溫蠕變鋁合金材料研發取得突破

2018-12-04 17:19:06 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

現代科技發展對結構金屬材料提出了更加嚴格的要求，一方面希望材料更輕以滿足輕量化需求，另一方面還希望材料耐更高的溫度以保證在大動力/大功率時的服役安全。但是通常金屬材料的安全服役溫度與材料密度呈現反向關系，使得材料的選擇往往顧此失彼。

特別地，當今航空航天、交通運輸等重要領域內的許多部件/構件服役溫度逐漸跨越到250℃-400℃的范圍，但相應的輕質合金材料卻難以承受其“高溫”。相對于其它輕質金屬材料，鋁合金是最有希望在該溫度范圍內使用的輕合金。但是在傳統鋁合金中，其賴以強化的納米第二相顆粒在250℃以上溫度時將會發生嚴重的粗化，強化效果損失嚴重。

在同時外加應力的高溫蠕變情況下，傳統鋁合金材料將發生快速軟化、導致最終的失穩。如何提高納米第二相顆粒的高溫穩定性、進而改善鋁合金的抗高溫蠕變性能，成為了鋁合金甚至是輕合金體系“卡脖子”的難題。

近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室與美國約翰霍普金斯大學、重慶大學合作，在新型抗高溫蠕變鋁合金材料的研發上取得了突破。他們基于納米第二相顆粒界面原子偏聚的微觀組織設計思想，通過在原子層次解析不同溶質原子之間的交互作用，借助相關的熱力學/動力學分析，選用常見的Al-Cu合金并結合Sc元素的微合金化作用，在巧妙的熱處理工藝下，實現了Sc原子在Al2Cu強化相顆粒界面的高濃度偏聚，相當于給Al2Cu強化相顆粒穿上了一件“外衣”，顯著地抑制了該顆粒在高溫下的粗化長大。

圖1 巧妙的熱處理工藝

圖2 組織表征

同時還額外析出了穩定的Al3Sc顆粒，使得這兩類本來不在相同時效溫度范圍內析出的強化相顆粒和諧地共存。這種微觀組織結構讓普通的Al-Cu合金不再普通，而是具有了超常的抗高溫蠕變性能：在300℃以及大于30MPa外加應力的苛刻蠕變環境下，可安全服役長達350小時以上；如果外加應力在20MPa以下，蠕變壽命可超過2000小時。與前人所報道的鋁合金（包括Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系、Al-Si系和Al-Sc系）和鋁合金復合材料（添加陶瓷第二相顆粒如Al2O3和SiC）相比，此新型Al-Cu-Sc合金在相同的服役條件下其高溫蠕變性能提高了2-3個數量級。