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突破 500℃服役极限 新型增材制造耐热铝合金研制成功
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突破 500℃服役极限 新型增材制造耐热铝合金研制成功 近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室耐热铝合金团队联合上海交通大学、法国格勒诺布尔大学合作攻关，采用增材制造制备方法在500°C级耐热高强铝合金研究中取得重要进展。研究团队提出“热稳定双相互锁稳定化”的设计新策略，让两种耐热纳米颗粒在三维空间范围内成对生长、彼此“锁定”，实现了1+1>2的高温组织稳定化效果。相关研究结果发表在《今日材料》上。 网站截图。 研究团队利用增材制造中非平衡凝固的溶质截留效应，通过添加微量钪、锆元素，在原胞状结构周围形成致密铝 - 钒 - 钪 - 锆（Al-V-Sc-Zr）纳米非晶结构；再经400℃短时热处理后，胞状结构与其周围的非晶结构间发生由V原子扩散主导的耦合原位相变。两相紧密结合、成对分布，形成复合纳米析出相，总体积分数达约37.7vol%，平均尺寸仅56纳米，析出相含量与细化程度均远超传统工艺制备的耐热铝合金。 航空航天、先进能源和高端装备制造等关键领域对结构材料轻量化与高温服役能力这两项通常难以兼得的双重性能指标的需求日益迫切，轻质、高强、耐热铝合金是实现结构减重的核心候选材料之一。近年来耐热铝合金成为了行业内的研究热点，逐步开发出服役温度可以超过200℃的新型铝合金材料，团队曾提出了快扩散溶质原子与慢扩散原子耦合的设计策略，研制出300-400℃温度级耐热高强铝合金系列材料，并实现了工程化应用突破。 面向更高温度需求，500℃（~0.83 Tm，Tm为绝对熔点温度）被公认为铝合金难以逾越的天花板服役温度——这意味着发动机周边等高温部位至今只能采用密度更大的钛合金或高温合金，减重潜力难以进一步发挥。500℃级耐热铝合金将是铝合金领域颠覆性的材料与技术突破。 研究进一步揭示，这种两相共生结构形成了独特的“生长相互约束”效应：两种纳米相颗粒界面相互钉扎，从动力学层面抑制了析出相的高温粗化。这种基于动力学约束的稳定化机制区别于传统界面溶质偏聚、晶格键能强化等热力学主导的稳定化思路，赋予复合析出相前所未有的抗粗化能力。超常的微观组织热稳定性带来了突破性的高温力学性能，该合金在400℃下抗拉强度高达230兆帕、500℃下仍保持约120兆帕的高强度，显著超越现有铸造与增材制造铝合金的高温强度水平。在400℃与500℃下抵抗长时缓慢变形的能力（稳态蠕变速率）与现有耐热铝合金相比均高出2-3个数量级，其500℃时抗蠕变性能甚至优于多数传统耐热铝合金在400℃下的表现。 该研究首次将可近净成形（打印即接近零件最终形状、几乎无需再加工）增材制造铝合金的服役温度提升至500℃量级，打破了“耐热高强铝合金无法突破500℃服役极限”的传统认知，为轻合金高温组织设计提供了“动力学约束稳定化”的新范式，有望在航空航天高温结构件、新能源装备换热部件等领域实现大幅减重与能效提升。 相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103453 |
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