【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】航空航天、先進(jìn)能源和高端裝備制造等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)材料輕量化與高溫服役能力這兩項(xiàng)通常難以兼得的雙重性能指標(biāo)的需求日益迫切，輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱鋁合金是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的核心候選材料之一。商用高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)化依賴于Cu、Mg、Zn、Si等快擴(kuò)散元素形成的納米析出相，通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)室溫高強(qiáng)度。然而這類析出相的熱力學(xué)穩(wěn)定性差，當(dāng)服役溫度超過(guò)200℃后便會(huì)發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的快速粗化甚至回溶，導(dǎo)致材料強(qiáng)度斷崖式下降。近年來(lái)耐熱鋁合金成為了行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)，逐步開發(fā)出服役溫度可以超過(guò)200℃的新型鋁合金材料，其中西安交通大學(xué)耐熱鋁合金團(tuán)隊(duì)提出了快擴(kuò)散溶質(zhì)原子與慢擴(kuò)散原子耦合的設(shè)計(jì)策略，研制出300-400℃溫度級(jí)耐熱高強(qiáng)鋁合金系列材料，并實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用突破。面向更高溫度需求，500℃(~0.83 Tm，Tm為絕對(duì)熔點(diǎn)溫度)被公認(rèn)為鋁合金難以逾越的天花板服役溫度——這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)周邊等高溫部位至今只能采用密度更大的鈦合金或高溫合金，減重潛力難以進(jìn)一步發(fā)揮。500℃級(jí)耐熱鋁合金將是鋁合金領(lǐng)域顛覆性的材料與技術(shù)突破。
 

　　近日，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室耐熱鋁合金團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)、法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)合作攻關(guān)，采用增材制造制備方法在500°C級(jí)耐熱高強(qiáng)鋁合金研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出“熱穩(wěn)定雙相互鎖穩(wěn)定化”的設(shè)計(jì)新策略，即讓兩種耐熱納米顆粒在三維空間范圍內(nèi)成對(duì)生長(zhǎng)、彼此“鎖定”，實(shí)現(xiàn)了1+1>2的高溫組織穩(wěn)定化效果。研究團(tuán)隊(duì)利用增材制造中非平衡凝固的溶質(zhì)截留效應(yīng)，通過(guò)添加微量Sc、Zr元素，在原胞狀結(jié)構(gòu)周圍形成致密Al-V-Sc-Zr納米非晶結(jié)構(gòu)；再經(jīng)400℃短時(shí)熱處理后，胞狀結(jié)構(gòu)與其周圍的非晶結(jié)構(gòu)間發(fā)生由V原子擴(kuò)散主導(dǎo)的耦合原位相變：V原子跨界面擴(kuò)散進(jìn)入胞狀結(jié)構(gòu)的Al12Fe3Si相，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的Al12(Fe, V)3Si相，非晶結(jié)構(gòu)則同步轉(zhuǎn)化為熱穩(wěn)定Al3(Sc, Zr)納米顆粒。兩相緊密結(jié)合、成對(duì)分布，形成復(fù)合納米析出相，總體積分?jǐn)?shù)達(dá)約37.7vol%，平均尺寸僅56nm，析出相含量與細(xì)化程度均遠(yuǎn)超傳統(tǒng)工藝制備的耐熱鋁合金。
 

　　研究進(jìn)一步揭示，這種兩相共生結(jié)構(gòu)形成了獨(dú)特的“生長(zhǎng)相互約束”效應(yīng)：兩種納米相顆粒界面相互釘扎，從動(dòng)力學(xué)層面抑制了析出相的高溫粗化。這種基于動(dòng)力學(xué)約束的穩(wěn)定化機(jī)制區(qū)別于傳統(tǒng)界面溶質(zhì)偏聚、晶格鍵能強(qiáng)化等熱力學(xué)主導(dǎo)的穩(wěn)定化思路，賦予復(fù)合析出相前所未有的抗粗化能力。超常的微觀組織熱穩(wěn)定性帶來(lái)了突破性的高溫力學(xué)性能，該合金在400℃下抗拉強(qiáng)度高達(dá)230MPa、500℃下仍保持約120MPa的高強(qiáng)度，顯著超越現(xiàn)有鑄造與增材制造鋁合金的高溫強(qiáng)度水平。在400℃與500℃下抵抗長(zhǎng)時(shí)緩慢變形的能力(穩(wěn)態(tài)蠕變速率)與現(xiàn)有耐熱鋁合金相比均高出2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，其500℃時(shí)抗蠕變性能甚至優(yōu)于多數(shù)傳統(tǒng)耐熱鋁合金在400℃下的表現(xiàn)。該研究首次將可近凈成形(打印即接近零件最終形狀、幾乎無(wú)需再加工)增材制造鋁合金的服役溫度提升至500℃量級(jí)，打破了“耐熱高強(qiáng)鋁合金無(wú)法突破500℃服役極限”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為輕合金高溫組織設(shè)計(jì)提供了“動(dòng)力學(xué)約束穩(wěn)定化”的新范式，有望在航空航天高溫結(jié)構(gòu)件、新能源裝備換熱部件等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大幅減重與能效提升。
 

　　相關(guān)研究結(jié)果以《增材制造實(shí)現(xiàn)500°C級(jí)耐熱鋁合金》(500°C-resistant Al alloys achieved by additive manufacturing)為題發(fā)表在《今日材料》(Materials Today 99)上，西安交通大學(xué)博士生王之路、上海交通大學(xué)閆哲助理教授為論文共同第一作者，西安交通大學(xué)薛嗣創(chuàng)教授、劉剛教授、孫軍院士以及法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)Alexis Deschamps教授為論文共同通訊作者。論文合作者還包括西安交通大學(xué)博士生王文委和黃裳，以及上海交通大學(xué)龔鳴宇教授。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省新材料實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目的資助，相關(guān)表征實(shí)驗(yàn)得到了上海同步輻射光源、西安交通大學(xué)儀器分析中心等平臺(tái)的支持。
 

　　引用：西安交大科研團(tuán)隊(duì)在500°C級(jí)別耐熱高強(qiáng)鋁合金領(lǐng)域取得重要進(jìn)展 西安交通大學(xué)的 【引用時(shí)間：2026年8月2日】