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制备耐高温超强铝合金有了新方法

2024年06月06日 12:11:09 来源:科技日报 作者:陈曦 白翔仁 刘晓艳

  轻质高强耐热铝合金是航空航天、交通运输等领域需求日益迫切的基础材料。日前,记者从天津大学获悉,该校材料学院教授何春年团队创新性地提出了一种“界面置换”分散策略,成功实现了约5纳米的氧化物颗粒在铝合金中的单粒子级均匀分布,制备的氧化物弥散强化铝合金在高达500℃的温度下仍展现出史无前例的抗拉强度(约200兆帕)与抗高温蠕变性能。论文近日发表于国际期刊《自然·材料》。

  高温下,传统铝合金力学性能急剧下降,温度在300℃以上时,其服役性能已达瓶颈。具体而言,传统铝合金在300℃时抗拉强度小于200兆帕,而在500℃时抗拉强度则小于50兆帕。对于当前航空航天等领域最为关注的300℃—500℃这一温度区间,铝合金服役时出现的力学性能迅速衰退,成为大动力/大功率工作条件下制约其结构设计、影响服役安全的短板。

  目前,提高铝合金耐热性能的途径主要有两个:一是提升析出相的热稳定性;二是引入高稳定性的陶瓷相纳米颗粒。相比于前者,陶瓷颗粒通常具有较高的熔点(大于1000℃)与弹性模量,因而具有更高的热稳定性和变形稳定性。

  其中,氧化物陶瓷颗粒由于具有优良的强度、耐高温、耐氧化、耐腐蚀及低成本等特性,备受研究者青睐。何春年介绍,现有相关研究已经通过原位合成氧化物纳米颗粒的思路,在众多金属体系(如铁、铜、镍、钼等)中实现了优异的高温力学性能。

  “然而,以上实现弥散分布的原理主要是基于氧化物颗粒在基体内溶解—析出,或是液相混合后将金属前驱体还原成金属基体,但对于与氧反应活性高、不可化学还原的轻金属材料如铝、镁、钛等,上述方法则并不适用。”何春年说。

  如何在铝合金中实现纳米氧化物弥散强化,进而改善其高温力学性能,仍是铝合金乃至轻合金体系的国际性科技难题。

  为此,何春年团队提出并通过“界面置换”分散策略,制备了5纳米级氧化物弥散强化铝合金。他们首先利用金属盐前驱体分解过程中的自组装效应制得了少层石墨包覆的超细氧化物颗粒,将纳米颗粒之间较强的化学键结合替换为石墨包覆层之间较弱的范德华力结合,从而使纳米颗粒之间的粘附力降低了2—3个数量级。

  在此基础上,研究团队通过简单的机械球磨—粉末冶金工艺,实现了高体积分数(体积分数为8%)的单粒子级超细氧化物颗粒在铝基体内的均匀分散,并使铝合金展示出极其突出的高温力学性能与抗高温蠕变性能。该材料在300℃和500℃下的抗拉强度分别为420兆帕和200兆帕;在500℃和80兆帕的蠕变条件下,稳态蠕变速率为10的负7次方每秒,大幅超越了国际上已报道的铝基材料的最好水平。

  该项研究揭示了超细纳米颗粒增强轻质金属的超常耐热机制,并为开发轻质高强耐热金属材料及其在航空航天、交通运输等领域的应用提供了新思路。

[编辑: 陈路漫]
(本文来源:科技日报)
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