我国学者在高强耐热铝合金设计领域取得进展

　　

图1 (a) 本合金与文献中耐热铝合金的性能对比。(b-c)本合金峰时效状态和(d-e)热暴露后的透射电镜照片及 (f-g) 两种状态下的主强化相θ′-Al₂Cu的厚度和直径统计结果

 

图2 本合金中析出相核壳结构的形成过程。峰时效状态下，θ′-Al₂Cu相被C/L界面相、χ-AgMg界面相以及Sc偏聚层包覆

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52071340、51820105001）等资助下，中南大学粉末冶金国家重点实验室杜勇教授、李凯副教授等与南京理工大学、陕西师范大学合作，采用相图热力学计算（CALPHAD）指导耐热铝合金设计，实现了合金强度与耐热性能的协同提升。相关研究成果以“一种具有析出相/基体间多重界面结构的高强耐热铝合金（Synergy of multiple precipitate/matrix interface structures for a heat resistant high-strength Al alloy）”为题，近日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38730-z。

　　铝合金作为一种轻质、中高强、耐蚀、易回收的材料，广泛应用于航空航天以及汽车、轨道交通等行业。然而，Al-Cu、Al-Zn-Mg等高强铝合金在中-高温区间服役时，起主要强化作用的纳米析出相会快速粗化，导致其数密度快速下降，合金强度显著降低。因而，有效抑制纳米析出相粗化是协同提升铝合金强度与耐热性、拓宽铝合金服役范围的关键。

　　针对这一难题，团队提出了在析出相与基体界面处构建多重界面结构的设计策略。首先，利用CALPHAD方法优化合金元素含量及其比例，从而优化物相组合，避免无益的微米尺度第二相的生成，同时促进预期的最优纳米相的析出及界面结构的形成。由此设计的Al-Cu-Mg-Ag-Si-Sc合金中，主强化相θ′-Al₂Cu在热暴露过程中的粗化行为得到显著抑制，在参照行业标准开展200°C-100 h热暴露测试后，屈服强度仅下降3%，且仍然高达400 MPa，实现了铝合金强度与耐热性能相对于现有文献报道数据的显著协同提升（图1）。其具体机理在于，欠时效状态下先析出的C/L-AlMgSiCu相促进了主强化相θ′-Al₂Cu的异质形核析出，提高了其数密度，从而保障了合金的高强度。峰时效状态下，在θ′-Al₂Cu界面处形成了包含C/L界面相、χ-AgMg界面相及Sc偏聚层的多重界面结构，有效包覆了析出相，阻断了其溶解-粗化机制（图2）。

　　本合金完全采用传统工艺生产，具有很好的应用前景。这种通过CALPHAD优化合金成分从而在析出相/基体界面处构建多重界面结构的设计策略可为其他耐热材料的设计提供重要参考。该创新工作为跨尺度结构调控的国际难题提供了一种解题范式，引领了该领域的发展。