我国学者在耐500℃超强铝合金设计制备方面取得进展

　　

图 （a）“界面置换”分散思路示意图；（b）少层石墨包覆MgO NPs的透射电镜组织照片；（c）弥散MgO NPs增强铝基复合材料的室温与高温力学性能；（d）弥散MgO NPs增强铝基复合材料的抗高温蠕变性能

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52025015、U23A20546、52071230、52130105、52101181）等资助下，天津大学何春年教授、赵乃勤教授、张翔副研究员等提出一种“界面置换”分散策略，成功实现了全共格、高密度的~5 nm MgO颗粒在铝合金中的单粒子级均匀分布，从而使所制备的ODS铝合金在高达500℃的温度下仍然最优的抗拉强度（~200 MPa）与抗高温蠕变性能。相关研究成果以“耐高温超弥散氧化物强化铝合金（Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys）”为题，于2024年4月26日发表于《自然?材料》（Nature Materials）杂志，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01884-2。

　　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重要基础材料。氧化物弥散强化（Oxide Dispersed Strengthened, ODS）合金具有高的热稳定性和高温力学性能，如能在铝合金内引入细小弥散分布的氧化物纳米颗粒有望大幅提高其耐热性能。然而，目前亚10 nm级ODS合金主要通过内氧化或金属基体还原等化学方法制备，该方法不适用于铝、钛、镁等不可化学还原轻质金属。迄今为止，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，仍是铝合金甚至轻合金体系的国际性科学与技术难题。

　　为此，天津大学材料学院何春年教授团队提出并通过“界面置换”分散策略制备了5 nm级ODS铝合金，即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MgO颗粒（~5 nm），将纳米颗粒之间较强结合的化学键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，通过简单的机械球磨-粉末冶金工艺实现了高体积分数（8 vol.%）的单粒子级超细MgO颗粒在铝基体内的均匀分散。研究发现，该材料具有超高的颗粒密度（~9×10²³ m^-3）和界面密度（~1.4×10⁸ m^-1），且MgO颗粒与铝基体之间的界面具有完美的全共格特性，并形成了Mg-O-Al的强结合，这类界面有效抑制了空位与原子沿界面和跨界面扩散，显著降低了界面处的原子扩散速率，因而该ODS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，其在300℃和500℃下的抗拉强度分别为420 MPa和200 MPa；在500℃-80 MPa的蠕变条件下，稳态蠕变速率为~10^-7 s^-1，大幅超越了国际上已报道的铝基材料的最好水平。

　　该工作创新性提出了针对轻质金属材料“高分散性-超细颗粒尺寸-界面共格”协同调控的制备新技术，揭示了超细纳米颗粒增强轻质金属的超常耐热机制，并为开发耐热高强轻质金属材料及其航空航天、交通运输等重要领域应用提供了新思路。