鋁合金是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)家安全重要的工程材料。但是迄今為止，我國(guó)一些高性能鋁合金制備的關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有突破，很多重點(diǎn)型號(hào)所需的高性能鋁合金材料仍然依賴于進(jìn)口，高性能鋁合金研制與開(kāi)發(fā)還有許多工作等待國(guó)人去做。

鋁合金的高性能化有幾種途徑，其中微合金化強(qiáng)韌化是近20年來(lái)高性能鋁合金研究的前沿領(lǐng)域。所謂微合金化強(qiáng)韌化通常是指將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于0.5%的微量元素添加或者復(fù)合添加到鋁合金中借以大幅度提高合金強(qiáng)度和韌性的一種技術(shù)。其中，鈧的添加特別引人注目。

鈧作為一種過(guò)渡族元素以及稀土元素加到鋁及鋁合金中，不僅能夠顯著細(xì)化鑄態(tài)合金晶粒、提高再結(jié)晶溫度從而提高鋁合金的強(qiáng)度和韌性，而且能顯著改善鋁合金的可焊性、耐熱性、抗蝕性、熱穩(wěn)定性和抗中子輻照損傷的作用。因此，鋁鈧合金被認(rèn)為是新一代航天航空、艦船、兵器用高性能鋁合金結(jié)構(gòu)材料。近20年來(lái)，國(guó)際材料界尤其是前蘇聯(lián)，由于軍工戰(zhàn)略方面的需要，對(duì)鋁鈧合金進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)鋁鈧合金起步較晚，90年代中期還只有少數(shù)幾篇評(píng)述性的文章。然而，這種新合金在航天航空方面的優(yōu)異性能引起了國(guó)防工業(yè)部門(mén)的濃厚興趣，有關(guān)應(yīng)用部門(mén)希望國(guó)內(nèi)立即開(kāi)展這方面的研究。

“國(guó)家需要就是我們的研究目標(biāo)！”學(xué)科帶頭人尹志民教授敏銳地感覺(jué)到這一信息的重大價(jià)值。這位1987年從加拿大多倫多大學(xué)留學(xué)回國(guó)并長(zhǎng)期從事高性能鋁合金研究的學(xué)者，立即帶領(lǐng)科研室一批青年學(xué)子在這一領(lǐng)域開(kāi)始了艱苦的探索與實(shí)踐。

研究工作從哪里入手？科研組的同志一致認(rèn)為“研究工作應(yīng)當(dāng)首先從基礎(chǔ)做起，基礎(chǔ)牢才能做大事。”微量鈧添加到鋁合金中能大幅度提高合金的性能，這種神奇作用的原因是什么？課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，開(kāi)展了微量鈧在鋁鎂系合金中的存在形式及作用機(jī)制研究。他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列對(duì)比合金，研究了微量鈧對(duì)目標(biāo)合金晶粒度、再結(jié)晶行為以及對(duì)合金強(qiáng)度和韌性的影響。發(fā)現(xiàn)了一系列有重大意義的研究結(jié)果：

第一，微量鈧和鋯復(fù)合添加效果比單獨(dú)添加好，鈧、鋯復(fù)合微合金化是Al-Mg系合金強(qiáng)韌化的有效途徑；第二，微量鈧和鋯主要以Al3（Sc,Zr）I和Al3（Sc,Zr）II兩種鋁化物形式存在，鋁化物的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，點(diǎn)陣常數(shù)為0.410nm，前者是α（Al）基體最有效的晶粒細(xì)化劑，后者與基體共格，強(qiáng)烈釘扎位錯(cuò)和亞晶界，它能強(qiáng)烈抑制合金熱變形過(guò)程和冷軋板材退火過(guò)程的再結(jié)晶；第三，微量鈧和鋯在鋁合金中的強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和鋁鈧鋯化合物粒子引起的析出強(qiáng)化。論文《微量Sc和Zr對(duì)Al-Mg合金組織性能的影響》和《微量Sc和Zr對(duì)Al-Zn-Mg合金組織性能影響》分別在材料領(lǐng)域英國(guó)著名刊物《材料科學(xué)與工程》和俄羅斯著名刊物《有色金屬》上發(fā)表，SCI他引數(shù)十次。多名來(lái)自韓國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)的研究者來(lái)信或通過(guò)E-mail索取資料。尹志民教授訪俄期間，還多次與鋁鈧合金研究權(quán)威扎哈羅夫教授和費(fèi)拉多夫教授進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流。

鋁鈧合金基礎(chǔ)研究有了重大突破以后，緊接著的一個(gè)問(wèn)題就是研制開(kāi)發(fā)鋁鈧中間合金。因?yàn)槲⒘库傊荒芡ㄟ^(guò)鋁鈧中間合金的形式加入到鋁合金中，否則“巧婦難為無(wú)米之炊”。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)鈧資源豐富。90年代初，我國(guó)還是世界市場(chǎng)上氧化鈧初級(jí)產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，關(guān)鍵問(wèn)題是如何把氧化鈧轉(zhuǎn)化為鋁鈧中間合金。在“氧化鈧熱還原制備鋁鈧中間合金新工藝基礎(chǔ)研究”國(guó)家自然科學(xué)基金支持下，課題組在不同反應(yīng)物體系熱還原熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，篩選了兩條工藝路線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最終以工業(yè)氧化鈧為原料，采用氧化鈧熱還原方法成功地制備出了鋁鈧中間合金，隨后研制的鋁鈧合金板材制備和性能研究表明：制備的鋁鈧中間合金完全能夠滿足工業(yè)鋁鈧合金研制的需要。在此基礎(chǔ)上，科研組申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利，2002年發(fā)明專利獲得授權(quán)。

隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)，鋁鎂鈧系合金的研究列入了國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃，科研室緊緊抓住了這個(gè)機(jī)遇。在科技部973項(xiàng)目“提高鋁材質(zhì)量的基礎(chǔ)研究”和“十五”攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，在微量鈧、鋯在鋁鎂系及鋁鋅鎂系合金中的微合金化研究成果的指導(dǎo)下，課題組在國(guó)內(nèi)率先研制成功了Al-Mg-Sc-Zr和Al-Zn-Mg-Sc-Zr兩個(gè)合金原型，與不添加鈧和鋯的同類合金相比，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高了25%，而塑性仍分別保持在13%和10%的高水平。與此同時(shí)，鈧、鋯等復(fù)合微合金化強(qiáng)韌化研究成果已延伸到2個(gè)863項(xiàng)目和1個(gè)“十五”重點(diǎn)項(xiàng)目。

經(jīng)過(guò)8年的艱苦奮斗，依托中南大學(xué)材料物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，形成了一支從加拿大、日本、俄羅斯等留學(xué)回國(guó)的青年學(xué)者組成的學(xué)術(shù)隊(duì)伍。他們先后承擔(dān)了多項(xiàng)與鋁鈧合金有關(guān)的國(guó)家自然科學(xué)基金、973項(xiàng)目、863項(xiàng)目、“十五”攻關(guān)和軍工配套等國(guó)家級(jí)重大科研項(xiàng)目，舉辦了鋁鈧合金國(guó)際研討會(huì)，發(fā)表高水平論文近百篇，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了積極的影響。

為了適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展，尹志民教授為首的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)加大了鋁鈧合金的研究開(kāi)發(fā)力度，一方面，他們利用科研沉淀資金，在校內(nèi)新材料工程中心投資20余萬(wàn)元建立了一條鋁鈧中間合金中試生產(chǎn)線，正式為國(guó)內(nèi)用戶供應(yīng)“中工牌”鋁鈧中間合金；另一方面，與國(guó)內(nèi)鋁合金骨干企業(yè)合作，共同承擔(dān)國(guó)家科研試制任務(wù)，努力把鈧、鋯復(fù)合微合金化強(qiáng)韌化理論應(yīng)用到工程實(shí)際中，爭(zhēng)取在未來(lái)10年內(nèi)，和國(guó)內(nèi)鋁合金骨干企業(yè)一道建立起我國(guó)自己的高性能鋁鈧合金新體系。

目前，中南大學(xué)與東北加工輕合金有限責(zé)任公司和西南鋁業(yè)有限公司合作承擔(dān)的鋁鈧合金“十五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目開(kāi)始了工業(yè)化試驗(yàn)。他們已經(jīng)攻克了板材及其配用焊絲復(fù)合微合金化成分設(shè)計(jì)及控制技術(shù)、鈧中間合金制備和添加技術(shù)、鋁鎂鈧鋯合金板材軋制技術(shù)，鋁鎂鈧鋯合金型材擠壓工藝技術(shù)和鍛造工藝技術(shù)，研制成功了中強(qiáng)高韌可焊Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材、擠壓材、鍛件和配用焊絲。

可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大規(guī)格鋁鈧合金板材、擠壓材、鍛件將會(huì)在航天、航空、兵器、艦船領(lǐng)域投入應(yīng)用。課題組成員的辛勤勞動(dòng)和聰明才智將在國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)中開(kāi)出更加艷麗的花朵。

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