科研進展
蘭州化物所多功能耦合微晶鋁合金結(jié)構(gòu)設計與性能調(diào)控方面獲系列進展
隨著特高壓輸電工程、新能源、低空經(jīng)濟等國家戰(zhàn)略領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，高端裝備對鋁合金材料提出了“輕量化-高強度-長壽命” 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性能已難以滿足重大裝備的性能升級需求，成為制約我國高端裝備自主可控發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對上述行業(yè)痛點，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室金屬與陶瓷摩擦學課題組聯(lián)合煙臺先進材料與綠色制造山東實驗室提出“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)同工藝設計（粉末鍛造/擠壓/軋制復合加工技術(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耐熱組織，創(chuàng)新實現(xiàn)了高密度層錯-富氧增強相的納米級微觀缺陷結(jié)構(gòu)強化設計，開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、具備工業(yè)規(guī)模化應用價值的高性能缺陷結(jié)構(gòu)增強鋁合金。該系列材料可適配高溫、高應力極端服役環(huán)境，為高性能金屬材料的設計研發(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系高強鋁合金體系，實現(xiàn)了多系列鋁合金的性能大幅提升。針對7000系（Al-Zn-Mg-Cu）鋁合金，研究團隊通過工藝優(yōu)化設計，制備出氧化物彌散強化7000系鋁合金，其綜合力學性能大幅超越傳統(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，研究團隊突破了該體系鋁合金對人工時效處理的強依賴，制備材料無需人工時效處理，即可達到商用2000系高強鋁合金的力學性能水平。該工藝通過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)，實現(xiàn)了超細晶、高密度位錯、納米增強相與穩(wěn)定堆垛層錯的一體化調(diào)控，可廣泛應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，針對陶瓷增強鋁基復合材料長期存在的兩相之間界面結(jié)合力弱、脆性界面反應產(chǎn)物制約性能提升的技術(shù)難題，研究團隊提出“原位非晶氧化鋁界面改性”研究思路，通過兩級高能球磨-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)合強度，同時有效抑制了脆性Al4C3相的生成，并借助細晶強化、位錯強化與非晶界面協(xié)同作用實現(xiàn)材料強度的顯著提升。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顆粒增強鋁基復合材料
近期，在上述研究基礎(chǔ)上，研究人員通過多尺度缺陷-結(jié)構(gòu)耦合策略，基于粉末冶金-塑性成形協(xié)同工藝開發(fā)出含高密度層錯和富氧納米區(qū)的高性能鋁材，解決了傳統(tǒng)高強鋁合金高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差和力學性能不足的行業(yè)難題。實驗數(shù)據(jù)顯示，僅以純鋁粉為原材料制備的缺陷結(jié)構(gòu)增強鋁材，室溫抗拉強度達415-553 MPa，延伸率保持7-14%，打破了傳統(tǒng)粉末鍛造鋁材強度超400MPa后延伸率不足4%的技術(shù)壁壘，在623-723K高溫環(huán)境下，材料強度仍可保持101-163MPa，并且在723K高溫長期暴露1200小時后，材料的組織結(jié)構(gòu)與力學性能仍保持穩(wěn)定，其優(yōu)異性能主要源于高密度堆垛層錯與富氧納米區(qū)的協(xié)同強化，為極端環(huán)境用高性能金屬材料設計提供了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際高水平期刊Acta Materialia (2026,309,122057)上。
圖3.多尺度缺陷-結(jié)構(gòu)耦合策略設計高強耐熱鋁材
煙臺先進材料與綠色制造山東實驗室姬朋飛博士、蘭州化物所湯華國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家自然科學基金、山東省重點研發(fā)計劃、山東省重大科技創(chuàng)新工程、山東省自然科學基金的支持。
