科研進(jìn)展
蘭州化物所多功能耦合微晶鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控方面獲系列進(jìn)展
隨著特高壓輸電工程、新能源、低空經(jīng)濟(jì)等國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，高端裝備對(duì)鋁合金材料提出了“輕量化-高強(qiáng)度-長(zhǎng)壽命” 三位一體的極限性能要求。然而，受限于傳統(tǒng)熔鍛工藝，現(xiàn)有商用鋁合金的力學(xué)性能已難以滿足重大裝備的性能升級(jí)需求，成為制約我國(guó)高端裝備自主可控發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對(duì)上述行業(yè)痛點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金屬與陶瓷摩擦學(xué)課題組聯(lián)合煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東實(shí)驗(yàn)室提出“高活性粉末瞬態(tài)燒結(jié)”創(chuàng)新制備方法，基于粉末冶金-塑性成形協(xié)同工藝設(shè)計(jì)（粉末鍛造/擠壓/軋制復(fù)合加工技術(shù)），成功構(gòu)筑了具備優(yōu)異高溫穩(wěn)定性的鋁合金多層級(jí)耐熱組織，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了高密度層錯(cuò)-富氧增強(qiáng)相的納米級(jí)微觀缺陷結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、具備工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用價(jià)值的高性能缺陷結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鋁合金。該系列材料可適配高溫、高應(yīng)力極端服役環(huán)境，為高性能金屬材料的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了全新的技術(shù)途徑。
研究人員將該技術(shù)路線系統(tǒng)性拓展至航空航天領(lǐng)域核心的2000系、7000系高強(qiáng)鋁合金體系，實(shí)現(xiàn)了多系列鋁合金的性能大幅提升。針對(duì)7000系（Al-Zn-Mg-Cu）鋁合金，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出氧化物彌散強(qiáng)化7000系鋁合金，其綜合力學(xué)性能大幅超越傳統(tǒng)鑄造工藝制備的商用7075鋁合金。而在2000系（Al-Cu-Mg）鋁合金研發(fā)中，研究團(tuán)隊(duì)突破了該體系鋁合金對(duì)人工時(shí)效處理的強(qiáng)依賴，制備材料無(wú)需人工時(shí)效處理，即可達(dá)到商用2000系高強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能水平。該工藝通過(guò)在鋁合金基體中原位構(gòu)建多尺度協(xié)同的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)晶、高密度位錯(cuò)、納米增強(qiáng)相與穩(wěn)定堆垛層錯(cuò)的一體化調(diào)控，可廣泛應(yīng)用于多系列鋁合金體系。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Rare Metals(2025,45,e70030)和Journal of Alloys and Compounds (2025,1034,181373)上。
圖1.多尺度缺陷-結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建示意圖
同時(shí)，針對(duì)陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料長(zhǎng)期存在的兩相之間界面結(jié)合力弱、脆性界面反應(yīng)產(chǎn)物制約性能提升的技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)提出“原位非晶氧化鋁界面改性”研究思路，通過(guò)兩級(jí)高能球磨-快速鍛造燒結(jié)集成工藝，創(chuàng)新性地利用球磨過(guò)程引入的微量氧氣，原位生成厚度9-45nm的非晶氧化鋁界面層，其短程有序結(jié)構(gòu)顯著改善了SiC/Al非共格界面的原子匹配度，大幅提升界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)有效抑制了脆性Al4C3相的生成，并借助細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化與非晶界面協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度的顯著提升。相關(guān)研究成果發(fā)表在Composites Communications (2025,53, 102201)上。
圖2.非晶氧化鋁界面改性的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料
近期，在上述研究基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)多尺度缺陷-結(jié)構(gòu)耦合策略，基于粉末冶金-塑性成形協(xié)同工藝開(kāi)發(fā)出含高密度層錯(cuò)和富氧納米區(qū)的高性能鋁材，解決了傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差和力學(xué)性能不足的行業(yè)難題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，僅以純鋁粉為原材料制備的缺陷結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鋁材，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)415-553 MPa，延伸率保持7-14%，打破了傳統(tǒng)粉末鍛造鋁材強(qiáng)度超400MPa后延伸率不足4%的技術(shù)壁壘，在623-723K高溫環(huán)境下，材料強(qiáng)度仍可保持101-163MPa，并且在723K高溫長(zhǎng)期暴露1200小時(shí)后，材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能仍保持穩(wěn)定，其優(yōu)異性能主要源于高密度堆垛層錯(cuò)與富氧納米區(qū)的協(xié)同強(qiáng)化，為極端環(huán)境用高性能金屬材料設(shè)計(jì)提供了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際高水平期刊Acta Materialia (2026,309,122057)上。
圖3.多尺度缺陷-結(jié)構(gòu)耦合策略設(shè)計(jì)高強(qiáng)耐熱鋁材
煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東實(shí)驗(yàn)室姬朋飛博士、蘭州化物所湯華國(guó)研究員為論文共同第一作者，蘭州化物所喬竹輝研究員為通訊作者，蘭州化物所為第一完成單位。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省重大科技創(chuàng)新工程、山東省自然科學(xué)基金的支持。
