张金钰研制出抗300℃高温蠕变的铝合金

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现代科技发展对结构金属材料提出了更加严格的要求，一方面希望材料更轻以满足轻量化需求，另一方面还希望材料耐更高的温度以保证在大动力/大功率时的服役安全。但是通常金属材料的安全服役温度与材料密度呈现反向关系，使得材料的选择往往顾此失彼。特别地，当今航空航天、交通运输和军事武器等重要领域内的许多部件/构件其服役温度逐渐跨越到250℃-400℃的范围内，然而相应的轻质合金材料却难以承受其“高温”。相对于其它轻质金属材料，铝合金是最有希望在该温度范围内使用的轻合金。但是在传统铝合金中，其赖以强化的纳米第二相颗粒在250℃以上温度将会发生严重的粗化，强化效果损失严重。在同时外加应力的高温蠕变情况下，传统铝合金材料将发生快速软化、导致最终的失稳。如何提高纳米第二相颗粒的高温稳定性、进而改善铝合金的抗高温蠕变性能，成为了铝合金甚至是轻合金体系“卡脖子”的难题。

近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室博士生高一涵、杨冲与青年教师张金钰在刘刚和孙军教授的指导下，并与Johns Hopkins大学马恩教授、重庆大学曹玲飞教授合作，在新型抗高温蠕变铝合金材料的研发上取得了突破。他们基于纳米第二相颗粒界面原子偏聚的微观组织设计思想，通过在原子层次解析不同溶质原子之间的交互作用，借助相关的热力学/动力学分析，选用常见的Al-Cu合金并结合Sc元素的微合金化作用，在巧妙的热处理工艺下，实现了Sc原子在Al2Cu强化相颗粒界面的高浓度偏聚，相当于给Al2Cu强化相颗粒穿上了一件“外衣”，显著地抑制了该颗粒在高温下的粗化长大。同时还额外析出了稳定的Al3Sc颗粒，使得这两类本来不在相同时效温度范围内析出的强化相颗粒和谐地共存。这种微观组织结构变普通的Al-Cu合金不再普通，而是具有了超常的抗高温蠕变性能：在300oC以及大于30MPa外加应力的苛刻蠕变环境下，可安全服役长达350小时以上；如果外加应力在20MPa以下，蠕变寿命可超过2000小时。与前人所报导的铝合金(包括Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系、Al-Si系和Al-Sc系)和铝合金复合材料(添加陶瓷第二相颗粒如Al2O3和SiC)相比，本新型Al-Cu-Sc合金在相同的服役条件下其高温蠕变性能提高了2-3个数量级。

相关部分结果发表在Materials Research Letters 7(2019)18-25上。目前该材料已经得到了行业内的密切关注，其中中航集团和国家电网的相关单位均希望能尽快推动该材料的工业应用。

研究工作得到了国家自然科学基金、111引智基地等项目的资助。