西安交大Nature Materials：成功開發出耐400℃先進鋁合金

一、導讀

高強商業鋁合金的最高服役溫度極限為150℃，遠低于現代工業需求的300-400℃。強化納米析出粒子在高溫下體積分數小且會發生快速粗化是限制其高溫使用的主要因素。一般情況下，加入快擴散速率元素（如Cu、Zn和Si等）形成的納米粒子低溫下具有較大的體積分數，但熱穩定性較差。相反，慢擴散速率元素低擴散性元素（如Sc、Ti和Zr等）構成的納米粒子具有較高的熱穩定性，但其體積分數非常小（<0.5%）。這兩類元素的擴散速率差距非常大，難以耦合形成熱穩定性好且大體積分數的納米析出粒子。在Al - Cu合金中，界面溶質偏聚是實現兩種元素在納米沉淀物/基體界面耦合的有效方法。快擴散元素(即Cu)形成具有大體積分數的θ?-Al2Cu納米沉淀物，在界面偏聚的慢擴散速率元素(例如Sc或Mn/Zr)通過降低界面能和阻止跨界面擴散來穩定納米沉淀物，從而提供足夠的強化效果。當溫度高于350℃時，這種機制不再有效。原位相變是克服這一困境的潛在方法: 首先在相對較低的時效溫度下快擴散速率元素形成大體積分數的納米沉淀物，然后在更高的溫度下通過原位相變路徑引入慢擴散速率元素，實現了這兩類元素在空間上的周期性自組裝。目前，國內外還還未報道過類似原位相變，本文取得了巨大的突破。

二、 成果掠影

近日，來自西安交通大學的孫軍院士，劉剛教授課題組展示了一種間隙溶質有序化穩定策略，在添加Sc的Al - Cu - Mg - Ag合金中形成了一種高密度且高度穩定的共格納米沉淀物(稱為V相)，使鋁合金在400℃時達到前所未有的抗蠕變性能和優異的抗拉強度(~100 MPa)。由慢擴散速率Sc原子和快擴散速率Cu原子組成的V相是由共格臺階輔助的原位相變形成的，這種原位相變主要包括Sc原子的引入和Sc原子自組裝形成間隙有序兩個過程。慢擴散原子和快擴散原子之間有效耦合形成的共格納米沉淀物可能為400℃輕合金服役鋪平道路，其在工業應用方面具有顯著價值。相關成果以“Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering”為題發表在國際材料頂級期刊Nature Materials期刊上。

三、核心創新點

(1) 創造性的通過原位相變策略設計出一種大體積分數耐熱的共格納米析出粒子；

(2) 首次開發出400℃級耐熱鋁合金；

四、數據概覽

圖1 Sc微合金化形成高度穩定的納米沉淀物；a - c，HADDF圖像顯示時效態Al-Cu-Mg-Ag合金(a)、熱暴露于400°C 0.25 h的Al-Cu-Mg-Ag合金(b)和熱暴露于400°C 10 h的Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金(C)中的納米沉淀物。d,e，顯示400°C暴露的Al-Cu-Mg-Ag合金(d)和Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金(e)中納米沉淀物內元素分布的APT圖像。f,g, Al-Cu-Mg-Ag合金(f)和Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金(g) 顯示SAXS原位測量的從室溫加熱至500°C納米沉淀物粒徑變化。h， 展示了Al-Cu合金中θ′-Al2Cu和Al-Cu - Mg - Ag合金中Ω相和Al-Cu - Mg – Ag-Sc合金中V納米沉淀物在300℃和400℃時的粗化速率。R為納米沉淀物的平均尺寸，t為時效時間。? 2022 Springer Nature

圖2 400°C下具有前所未有的力學性能；a, Al-Sc、Al-Cu、Al-Cu - mg - ag和Al-Cu - Mg - Ag - Sc合金400℃拉伸試驗的工程應力-應變曲線。插圖顯示了目前Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金的400℃測試的拉伸強度(高溫)與室溫屈服強度(RT)與商用鋁合金的對比。b, 400℃下Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金穩態拉伸蠕變性能，與之前報道的Al-Ce-Mg合金，Al - Sc - Er - Zr - Si基合金，6061合金，SiC/6061合金和增材制造(AM) Al-Ce-Ni-Mn在相同條件下蠕變性能的對比。? 2022 Springer Nature

圖3 Sc間隙有序化的晶體結構； a,b,d,e, Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω納米沉淀物沿[100]_Ω (a)和[010]_Ω (d)軸以及Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金中V納米沉淀物沿[001]_V (b)和[010]_V (e)軸的HAADF圖像。c,f，對應的原子映射，顯示沿[001]V (c)和[010]V (f)軸觀察V納米沉淀物中Cu和Sc原子的分布。g,h，顯示Ω (g)和V (h)無沉淀物的晶體結構。V相間隙Sc富集。i, DFT模擬θ′、Ω和V相每原子形成能的結果，負值越大，結構越穩定。? 2022 Springer Nature

圖4擴散主導的Sc吸收和間隙有序原位相變；a), Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金在400℃下Ω-to-V轉變的HAADF圖像和相應的APT圖像。在該溫度下保溫10 min后，Ω相的納米沉淀明顯(a)，界面Mg和Ag偏聚，少量Sc偏聚。b), 保溫30 min時，局部V相原位形成; c)保溫4 h后，納米沉淀物完全轉變為V相。d），HAADF圖像顯示多個V相(命名為V-1, V-2和V-3)同時在一個大Ω納米沉淀物中轉變，所有這些都與CLs有關; 在ML臺階上未形成V相。e）， TEM圖像顯示一些V納米沉淀物在邊緣呈直線分布，表明相變過程中發生了分裂。插圖是放大圖像;f)，CL輔助Sc擴散到Ω，以及從Ω到V的原位相變，在Sc未到達的地方，V形成和Ω溶解之間存在競爭。? 2022 Springer Nature

五、 成果啟示

本文創造性的利用原位相變策略，通過引入慢擴散速率Sc元素在鋁合金中設計了一種高穩定性-大體積分數的納米沉淀物，解決了鋁合金領域無法在300-400℃服役的難題。這種策略對于開發其它高溫合金具有非常好的啟發作用。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01420-0

六、作者專訪

1. 本文提出的耐400℃鋁合金未來可以實現產業化嗎？在產業化過程中還需要解決哪些問題？

? ? ? ?本文提出的耐熱鋁合金是在大規模商業應用的高強鋁合金基礎上進行改良，其制備工藝簡單且性能提升顯著，具有重大產業化前景。本合金制備的特點是通過雙級時效工藝克服了慢擴散原子Sc與快擴散原子Cu之間有效耦合在時間上的“失配”，在原有富Cu納米沉淀相Ω中，通過原位相變路徑引入Sc原子，實現了這兩類原子在空間上的周期性自組裝，由于相變存在溫度窗口且發生速度較快，因此精確的熱處理溫度和時間匹配是實現新型耐熱納米沉淀相顆粒V形成的關鍵。產業化過程中，合金材料尺寸放大會引起材料在熱處理過程中形成溫度梯度，這會導致耐熱納米沉淀相顆粒V的不均勻析出，所以在產業化過程中還需要根據材料尺寸設計對應的熱處理工藝。

2. 第二相納米析出粒子在蠕變過程中密度是否會不斷增加？

? ? ? ?蠕變初期，納米沉淀相顆粒的密度會逐漸增加。當鋁基體中納米沉淀相顆粒的組成元素的濃度達到其在鋁合金中400℃的平衡固溶度后，納米沉淀相顆粒的密度不再隨時間增加而增加。

3. 鋁合金在航空航天的應用前景如何？

? ? ? ?減重是航空航天裝備永恒的主題，在這一需求背景下，鋁合金由于高的比強度和良好的綜合性能，一直廣泛應用于航空航天領域。在設計需求推動和鋁合金科學技術發展的雙重作用下，國內外航空鋁合金至今已發展至第五代鋁合金。隨著航空航天裝備向更快和更遠的方向發展，在減重的前提下提高裝備結構材料耐熱性的需求更加突出。目前，耐熱鋁合金的服役溫度限制在150℃左右，無法替代在250-400℃服役的部件/構件，限制了航空航天裝備進一步的輕量化發展。因此，持續提高耐熱鋁合金的服役溫度對航空航天未來發展具有重要的意義。

本文由虛谷納物供稿