在航空航天和交通運(yùn)輸領(lǐng)域，對(duì)材料的性能要求日益提高。其中，輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱鋁合金因其優(yōu)異的性能成為需求日益迫切的基礎(chǔ)材料。最近，某大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新性的“界面置換”分散策略，實(shí)現(xiàn)了氧化物顆粒在鋁合金中的單粒子級(jí)均勻分布。這一突破性發(fā)現(xiàn)使得他們制備出的氧化物彌散強(qiáng)化鋁合金在高達(dá)500°C的極端溫度下仍保持了極高的抗拉強(qiáng)度(約200兆帕)與抗高溫蠕變性能。
傳統(tǒng)的鋁合金制造過程中，由于顆粒尺寸較大且分布不均，導(dǎo)致材料性能受到影響。而該研究團(tuán)隊(duì)采用的“界面置換”分散策略，成功將約5納米的氧化物顆粒均勻地分布在鋁合金中，大大提高了材料的性能。
高溫下，傳統(tǒng)鋁合金力學(xué)性能急劇下降，溫度在300℃以上時(shí)，其服役性能已達(dá)瓶頸。具體而言，傳統(tǒng)鋁合金在300℃時(shí)抗拉強(qiáng)度小于200兆帕，而在500℃時(shí)抗拉強(qiáng)度則小于50兆帕。對(duì)于當(dāng)前航空航天等領(lǐng)域最為關(guān)注的300℃—500℃這一溫度區(qū)間，鋁合金服役時(shí)出現(xiàn)的力學(xué)性能迅速衰退，成為大動(dòng)力/大功率工作條件下制約其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、影響服役安全的短板。
目前，提高鋁合金耐熱性能的途徑主要有兩個(gè)：一是提升析出相的熱穩(wěn)定性;二是引入高穩(wěn)定性的陶瓷相納米顆粒。相比于前者，陶瓷顆粒通常具有較高的熔點(diǎn)(大于1000℃)與彈性模量，因而具有更高的熱穩(wěn)定性和變形穩(wěn)定性。
其中，氧化物陶瓷顆粒由于具有優(yōu)良的強(qiáng)度、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕及低成本等特性，備受研究者青睞。研究人員介紹，現(xiàn)有相關(guān)研究已經(jīng)通過原位合成氧化物納米顆粒的思路，在眾多金屬體系(如鐵、銅、鎳、鉬等)中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。
“然而，以上實(shí)現(xiàn)彌散分布的原理主要是基于氧化物顆粒在基體內(nèi)溶解—析出，或是液相混合后將金屬前驅(qū)體還原成金屬基體，但對(duì)于與氧反應(yīng)活性高、不可化學(xué)還原的輕金屬材料如鋁、鎂、鈦等，上述方法則并不適用?！毖芯咳藛T說。
如何在鋁合金中實(shí)現(xiàn)納米氧化物彌散強(qiáng)化，進(jìn)而改善其高溫力學(xué)性能，仍是鋁合金乃至輕合金體系的國際性科技難題。
為此，該團(tuán)隊(duì)提出并通過“界面置換”分散策略，制備了5納米級(jí)氧化物彌散強(qiáng)化鋁合金。他們首先利用金屬鹽前驅(qū)體分解過程中的自組裝效應(yīng)制得了少層石墨包覆的超細(xì)氧化物顆粒，將納米顆粒之間較強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結(jié)合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單的機(jī)械球磨—粉末冶金工藝，實(shí)現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)(體積分?jǐn)?shù)為8%)的單粒子級(jí)超細(xì)氧化物顆粒在鋁基體內(nèi)的均勻分散，并使鋁合金展示出極其突出的高溫力學(xué)性能與抗高溫蠕變性能。該材料在300℃和500℃下的抗拉強(qiáng)度分別為420兆帕和200兆帕;在500℃和80兆帕的蠕變條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為10-7/s，大幅超越了國際上已報(bào)道的鋁基材料的最好水平。
該項(xiàng)研究揭示了超細(xì)納米顆粒增強(qiáng)輕質(zhì)金屬的超常耐熱機(jī)制，并為開發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱金屬材料及其在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。由于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)對(duì)高溫材料的需求越來越大，因此這種新型材料有望在這些領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、汽車制動(dòng)系統(tǒng)和船舶外殼等都需要具有高強(qiáng)度和良好耐熱性能的材料。
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