西安交大Nature Materials：成功开发出耐400℃先进铝合金

一、导读

高强商业铝合金的最高服役温度极限为150℃，远低于现代工业需求的300-400℃。强化纳米析出粒子在高温下体积分数小且会发生快速粗化是限制其高温使用的主要因素。一般情况下，加入快扩散速率元素（如Cu、Zn和Si等）形成的纳米粒子低温下具有较大的体积分数，但热稳定性较差。相反，慢扩散速率元素低扩散性元素（如Sc、Ti和Zr等）构成的纳米粒子具有较高的热稳定性，但其体积分数非常小（<0.5%）。这两类元素的扩散速率差距非常大，难以耦合形成热稳定性好且大体积分数的纳米析出粒子。在Al - Cu合金中，界面溶质偏聚是实现两种元素在纳米沉淀物/基体界面耦合的有效方法。快扩散元素(即Cu)形成具有大体积分数的θʹ-Al2Cu纳米沉淀物，在界面偏聚的慢扩散速率元素(例如Sc或Mn/Zr)通过降低界面能和阻止跨界面扩散来稳定纳米沉淀物，从而提供足够的强化效果。当温度高于350℃时，这种机制不再有效。原位相变是克服这一困境的潜在方法: 首先在相对较低的时效温度下快扩散速率元素形成大体积分数的纳米沉淀物，然后在更高的温度下通过原位相变路径引入慢扩散速率元素，实现了这两类元素在空间上的周期性自组装。目前，国内外还还未报道过类似原位相变，本文取得了巨大的突破。

二、 成果掠影

近日，来自西安交通大学的孙军院士，刘刚教授课题组展示了一种间隙溶质有序化稳定策略，在添加Sc的Al - Cu - Mg - Ag合金中形成了一种高密度且高度稳定的共格纳米沉淀物(称为V相)，使铝合金在400℃时达到前所未有的抗蠕变性能和优异的抗拉强度(~100 MPa)。由慢扩散速率Sc原子和快扩散速率Cu原子组成的V相是由共格台阶辅助的原位相变形成的，这种原位相变主要包括Sc原子的引入和Sc原子自组装形成间隙有序两个过程。慢扩散原子和快扩散原子之间有效耦合形成的共格纳米沉淀物可能为400℃轻合金服役铺平道路，其在工业应用方面具有显著价值。相关成果以“Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering”为题发表在国际材料顶级期刊Nature Materials期刊上。

三、核心创新点

(1) 创造性的通过原位相变策略设计出一种大体积分数耐热的共格纳米析出粒子；

(2) 首次开发出400℃级耐热铝合金；

四、数据概览

图1 Sc微合金化形成高度稳定的纳米沉淀物；a - c，HADDF图像显示时效态Al-Cu-Mg-Ag合金(a)、热暴露于400°C 0.25 h的Al-Cu-Mg-Ag合金(b)和热暴露于400°C 10 h的Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金(C)中的纳米沉淀物。d,e，显示400°C暴露的Al-Cu-Mg-Ag合金(d)和Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金(e)中纳米沉淀物内元素分布的APT图像。f,g, Al-Cu-Mg-Ag合金(f)和Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金(g) 显示SAXS原位测量的从室温加热至500°C纳米沉淀物粒径变化。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纳米沉淀物在300℃和400℃时的粗化速率。R为纳米沉淀物的平均尺寸，t为时效时间。© 2022 Springer Nature

图2 400°C下具有前所未有的力学性能；a, Al-Sc、Al-Cu、Al-Cu - mg - ag和Al-Cu - Mg - Ag - Sc合金400℃拉伸试验的工程应力-应变曲线。插图显示了目前Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金的400℃测试的拉伸强度(高温)与室温屈服强度(RT)与商用铝合金的对比。b, 400℃下Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金稳态拉伸蠕变性能，与之前报道的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在相同条件下蠕变性能的对比。© 2022 Springer Nature

图3 Sc间隙有序化的晶体结构； a,b,d,e, Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω纳米沉淀物沿[100]_Ω (a)和[010]_Ω (d)轴以及Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金中V纳米沉淀物沿[001]_V (b)和[010]_V (e)轴的HAADF图像。c,f，对应的原子映射，显示沿[001]V (c)和[010]V (f)轴观察V纳米沉淀物中Cu和Sc原子的分布。g,h，显示Ω (g)和V (h)无沉淀物的晶体结构。V相间隙Sc富集。i, DFT模拟θ′、Ω和V相每原子形成能的结果，负值越大，结构越稳定。© 2022 Springer Nature

图4扩散主导的Sc吸收和间隙有序原位相变；a), Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金在400℃下Ω-to-V转变的HAADF图像和相应的APT图像。在该温度下保温10 min后，Ω相的纳米沉淀明显(a)，界面Mg和Ag偏聚，少量Sc偏聚。b), 保温30 min时，局部V相原位形成; c)保温4 h后，纳米沉淀物完全转变为V相。d），HAADF图像显示多个V相(命名为V-1, V-2和V-3)同时在一个大Ω纳米沉淀物中转变，所有这些都与CLs有关; 在ML台阶上未形成V相。e）， TEM图像显示一些V纳米沉淀物在边缘呈直线分布，表明相变过程中发生了分裂。插图是放大图像;f)，CL辅助Sc扩散到Ω，以及从Ω到V的原位相变，在Sc未到达的地方，V形成和Ω溶解之间存在竞争。© 2022 Springer Nature

五、 成果启示

本文创造性的利用原位相变策略，通过引入慢扩散速率Sc元素在铝合金中设计了一种高稳定性-大体积分数的纳米沉淀物，解决了铝合金领域无法在300-400℃服役的难题。这种策略对于开发其它高温合金具有非常好的启发作用。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01420-0

六、作者专访

1. 本文提出的耐400℃铝合金未来可以实现产业化吗？在产业化过程中还需要解决哪些问题？

       本文提出的耐热铝合金是在大规模商业应用的高强铝合金基础上进行改良，其制备工艺简单且性能提升显著，具有重大产业化前景。本合金制备的特点是通过双级时效工艺克服了慢扩散原子Sc与快扩散原子Cu之间有效耦合在时间上的“失配”，在原有富Cu纳米沉淀相Ω中，通过原位相变路径引入Sc原子，实现了这两类原子在空间上的周期性自组装，由于相变存在温度窗口且发生速度较快，因此精确的热处理温度和时间匹配是实现新型耐热纳米沉淀相颗粒V形成的关键。产业化过程中，合金材料尺寸放大会引起材料在热处理过程中形成温度梯度，这会导致耐热纳米沉淀相颗粒V的不均匀析出，所以在产业化过程中还需要根据材料尺寸设计对应的热处理工艺。

2. 第二相纳米析出粒子在蠕变过程中密度是否会不断增加？

       蠕变初期，纳米沉淀相颗粒的密度会逐渐增加。当铝基体中纳米沉淀相颗粒的组成元素的浓度达到其在铝合金中400℃的平衡固溶度后，纳米沉淀相颗粒的密度不再随时间增加而增加。

3. 铝合金在航空航天的应用前景如何？

       减重是航空航天装备永恒的主题，在这一需求背景下，铝合金由于高的比强度和良好的综合性能，一直广泛应用于航空航天领域。在设计需求推动和铝合金科学技术发展的双重作用下，国内外航空铝合金至今已发展至第五代铝合金。随着航空航天装备向更快和更远的方向发展，在减重的前提下提高装备结构材料耐热性的需求更加突出。目前，耐热铝合金的服役温度限制在150℃左右，无法替代在250-400℃服役的部件/构件，限制了航空航天装备进一步的轻量化发展。因此，持续提高耐热铝合金的服役温度对航空航天未来发展具有重要的意义。

本文由虚谷纳物供稿