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　　航空航天(tian)、交通運輸等領(ling)域(yu)對材料(liao)(liao)輕(qing)(qing)量(liang)化的(de)需(xu)求日益迫切，同時(shi)許多部件(jian)/構(gou)件(jian)的(de)服(fu)役溫(wen)(wen)度(du)(du)逐漸跨越到250℃-400℃范(fan)圍(wei)內，輕(qing)(qing)質(zhi)、高(gao)(gao)(gao)強(qiang)、耐(nai)(nai)熱(re)的(de)新型金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)材料(liao)(liao)應用潛力(li)巨大。但(dan)(dan)合金(jin)(jin)(jin)的(de)耐(nai)(nai)熱(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)一般地與其熔點和比(bi)重(zhong)正相(xiang)關，即熔點越高(gao)(gao)(gao)、比(bi)重(zhong)越大其耐(nai)(nai)熱(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)越高(gao)(gao)(gao)，反(fan)之亦然(ran)，因此輕(qing)(qing)質(zhi)低熔點耐(nai)(nai)熱(re)合金(jin)(jin)(jin)的(de)研發就成為了金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)材料(liao)(liao)領(ling)域(yu)國(guo)際(ji)競爭的(de)焦點之一。相(xiang)對于其它金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)材料(liao)(liao)，鋁(lv)合金(jin)(jin)(jin)是在該溫(wen)(wen)度(du)(du)范(fan)圍(wei)內使用最(zui)具競爭力(li)的(de)一類高(gao)(gao)(gao)強(qiang)輕(qing)(qing)合金(jin)(jin)(jin)材料(liao)(liao)。但(dan)(dan)是傳統鋁(lv)合金(jin)(jin)(jin)中賴(lai)以強(qiang)化的(de)納米(mi)沉(chen)(chen)淀相(xiang)顆粒(li)在200℃以上溫(wen)(wen)度(du)(du)會發生嚴重(zhong)的(de)粗化，使其對基(ji)體的(de)強(qiang)化效果損失嚴重(zhong)，特別是在施加外力(li)的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)蠕(ru)變(bian)工況下，傳統鋁(lv)合金(jin)(jin)(jin)材料(liao)(liao)將發生快速軟化、導(dao)致最(zui)終結構(gou)失穩(wen)。如何(he)提(ti)高(gao)(gao)(gao)納米(mi)沉(chen)(chen)淀相(xiang)顆粒(li)的(de)熱(re)穩(wen)定(ding)性，進而改(gai)善(shan)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)鋁(lv)合金(jin)(jin)(jin)的(de)抗(kang)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)蠕(ru)變(bian)性能，是鋁(lv)合金(jin)(jin)(jin)甚(shen)至輕(qing)(qing)合金(jin)(jin)(jin)體系的(de)國(guo)際(ji)性科(ke)學與技術難題。

　　針對耐熱高(gao)(gao)強鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)重大(da)需(xu)求，西安交通大(da)學金(jin)(jin)屬材(cai)(cai)料強度(du)國家重點實驗室劉(liu)剛教授和(he)孫軍院士團隊開展了(le)(le)持續研(yan)究。近日，該(gai)團隊博士研(yan)究生(sheng)薛航與(yu)青(qing)年教師(shi)楊沖(chong)、張(zhang)鵬、張(zhang)金(jin)(jin)鈺和(he)劉(liu)福柱合(he)(he)(he)作，在(zai)(zai)(zai)400°C級別耐熱高(gao)(gao)強鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)研(yan)發上(shang)(shang)取(qu)得(de)突破(po)(po)。他們提出(chu)了(le)(le)納(na)米沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)晶(jing)格(ge)間隙位置(zhi)異質(zhi)原子有序化(hua)的(de)(de)(de)全(quan)新(xin)(xin)熱穩(wen)定化(hua)設(she)計(ji)策略(lve)，在(zai)(zai)(zai)常(chang)見(jian)的(de)(de)(de)Al-Cu-Mg-Ag合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中添(tian)加微(wei)(wei)量(liang)稀土Sc原子，采用雙級時效(xiao)(xiao)工藝(yi)克服(fu)了(le)(le)慢擴散(san)原子Sc與(yu)快擴散(san)原子Cu之間有效(xiao)(xiao)耦合(he)(he)(he)在(zai)(zai)(zai)時間上(shang)(shang)的(de)(de)(de)“失配(pei)”，在(zai)(zai)(zai)原有納(na)米沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)(xiang)Ω的(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)(shang)，通過(guo)原位相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)路徑實現(xian)(xian)了(le)(le)這(zhe)(zhe)兩類(lei)原子在(zai)(zai)(zai)空(kong)間上(shang)(shang)的(de)(de)(de)周期(qi)性(xing)自組(zu)裝(圖(tu)1)，形成了(le)(le)具有極高(gao)(gao)熱穩(wen)定性(xing)，同時具有大(da)體積(ji)百(bai)分數的(de)(de)(de)一種新(xin)(xin)型納(na)米沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)(命名為(wei)V相(xiang)(xiang)(xiang))。該(gai)納(na)米沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)即使(shi)(shi)在(zai)(zai)(zai)400°C( > 0.7倍鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)絕對熔(rong)點溫度(du))的(de)(de)(de)長(chang)(chang)時服(fu)役(> 200小時)后仍(reng)未(wei)見(jian)粗(cu)化(hua)，保(bao)持了(le)(le)完美的(de)(de)(de)界面共(gong)格(ge)結構，從(cong)而使(shi)(shi)得(de)材(cai)(cai)料表現(xian)(xian)出(chu)超(chao)常(chang)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫力(li)學性(xing)能：400oC拉伸強度(du)>100 MPa，超(chao)過(guo)所(suo)有報(bao)導的(de)(de)(de)鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)1倍以(yi)上(shang)(shang)；400oC下拉伸蠕(ru)變(bian)穩(wen)態(tai)蠕(ru)變(bian)塑性(xing)與(yu)所(suo)有報(bao)導的(de)(de)(de)高(gao)(gao)強鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)或鋁(lv)基(ji)復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)降低(di)了(le)(le)2-3個數量(liang)級，特別是(shi)(shi)在(zai)(zai)(zai)10-7/s臨界穩(wen)態(tai)蠕(ru)變(bian)速率(lv)下蠕(ru)變(bian)應(ying)力(li)突破(po)(po)了(le)(le)40 MPa (圖(tu)2)。這(zhe)(zhe)一高(gao)(gao)性(xing)能耐熱鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)研(yan)制成功突破(po)(po)了(le)(le)高(gao)(gao)強鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)服(fu)役溫度(du)極限，為(wei)開發新(xin)(xin)型耐高(gao)(gao)溫輕(qing)質(zhi)金(jin)(jin)屬材(cai)(cai)料提供(gong)了(le)(le)微(wei)(wei)觀組(zu)織設(she)計(ji)思路。特別是(shi)(shi)研(yan)究工作還發現(xian)(xian)了(le)(le)Ω沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)(xiang)界面上(shang)(shang)共(gong)格(ge)臺(tai)階提供(gong)Sc原子擴散(san)浸入通道(dao)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)新(xin)(xin)機制(圖(tu)3)，這(zhe)(zhe)是(shi)(shi)1960年代(dai)Aaronson提出(chu)臺(tai)階為(wei)盤片狀(zhuang)納(na)米沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)生(sheng)長(chang)(chang)機制以(yi)來，所(suo)揭示(shi)的(de)(de)(de)臺(tai)階另(ling)一個功能性(xing)作用，拓展了(le)(le)臺(tai)階在(zai)(zai)(zai)金(jin)(jin)屬材(cai)(cai)料固(gu)態(tai)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)中的(de)(de)(de)調控潛力(li)。

圖1 Ω相(a & b)與V相(d & e)晶體(ti)結構的(de)HAADF照片及其對比

Sc原子在間(jian)隙(xi)位(wei)置的(de)周期性分(fen)布可從HAADF照片以及(ji)能譜圖(c & f)上確(que)定

圖2 研發的(de)(de)新(xin)型耐熱(re)鋁(lv)合(he)(he)金(jin)在400°C下的(de)(de)拉(la)伸曲(qu)線(a)和蠕變性能(b)及其與其它鋁(lv)合(he)(he)金(jin)/鋁(lv)基復合(he)(he)材料的(de)(de)對(dui)比

(a中插入圖為室溫屈服強度(du)vs 400°C拉伸強度(du)的對比)

圖3 原(yuan)位(wei)相(xiang)(xiang)變過程(cheng)中界面臺階(CL)提供(gong)Sc原(yuan)子擴(kuo)散通(tong)道并(bing)誘發Ω相(xiang)(xiang)→V相(xiang)(xiang)相(xiang)(xiang)變的原(yuan)子尺度HAADF

和三維(wei)原子探針(APT)實驗(yan)結(jie)果：a、b和c分別(bie)代表相(xiang)變(bian)前(qian)、相(xiang)變(bian)中和相(xiang)變(bian)后

d 顯示出一個Ω相(xiang)在多處(chu)同時發(fa)生了V相(xiang)原位轉變(bian)(V-1, V-2, V-3)，每一處(chu)相(xiang)變(bian)位置均與共格臺階有關

　　相(xiang)(xiang)關研(yan)究結果以(yi)(yi)《高(gao)(gao)熱穩定(ding)性納(na)米共格(ge)沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)：擴散控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)溶(rong)質侵入與(yu)間(jian)隙有(you)序化調控(kong)》(Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering)為(wei)題在線發(fa)表在《自然材料(liao)》(Nature Materials)上(shang)，博(bo)士(shi)(shi)生薛航(hang)和(he)楊沖副教(jiao)(jiao)授為(wei)文章共同(tong)(tong)第(di)一作(zuo)者(zhe)(zhe)，劉剛(gang)教(jiao)(jiao)授和(he)孫軍院士(shi)(shi)為(wei)共同(tong)(tong)通訊作(zuo)者(zhe)(zhe)。文章合(he)作(zuo)者(zhe)(zhe)還包括法國(guo)格(ge)勒諾布(bu)爾大(da)學的(de)(de)F. De Geuser博(bo)士(shi)(shi)和(he)A. Deschamps教(jiao)(jiao)授，蘭州大(da)學陳斌博(bo)士(shi)(shi)和(he)彭(peng)勇教(jiao)(jiao)授，以(yi)(yi)及意大(da)利帕多瓦大(da)學的(de)(de)邊建軍博(bo)士(shi)(shi)。《自然材料(liao)》（Nature Materials）期(qi)刊同(tong)(tong)時還發(fa)表了由(you)美國(guo)橡樹嶺國(guo)家實驗室合(he)金(jin)(jin)設(she)計(ji)團隊負責人(ren)A. Shyam博(bo)士(shi)(shi)署名(ming)的(de)(de)題為(wei)《耐熱鋁(lv)合(he)金(jin)(jin)》(Heat-resistant aluminum alloys)的(de)(de)專題評述文章，認(ren)為(wei)該工作(zuo)“創制(zhi)(zhi)新(xin)型納(na)米沉(chen)淀(dian)相(xiang)(xiang)的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)設(she)計(ji)新(xin)策略(lve)，使得所制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)鋁(lv)合(he)金(jin)(jin)在近乎其絕對溫度熔點(dian)(dian)的(de)(de)80%，即高(gao)(gao)達400°C下仍然具有(you)史(shi)無前例的(de)(de)高(gao)(gao)強度和(he)抗高(gao)(gao)溫蠕變(bian)性能(neng)，將對航(hang)空航(hang)天、交通運輸等關鍵部(bu)件(jian)用、近熔點(dian)(dian)溫度下服役的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)設(she)計(ji)制(zhi)(zhi)備(bei)與(yu)應用及其未(wei)來發(fa)展產生深遠影(ying)響”。

　　近年(nian)來，該(gai)團(tuan)隊(dui)專(zhuan)注(zhu)于高(gao)強(qiang)鋁(lv)合金(jin)的(de)(de)熱穩定(ding)化(hua)研究(jiu)，先后提出了(le)(le)沉淀(dian)相界(jie)面溶質偏聚(ju)、多(duo)層級(ji)組(zu)織(zhi)界(jie)面共格互鎖、高(gao)濃度(du)空位(wei)復合體(ti)化(hua)、沉淀(dian)相間隙有序化(hua)等多(duo)個微觀(guan)組(zu)織(zhi)設計策略，分別(bie)形成(cheng)了(le)(le)300-400°C溫(wen)(wen)度(du)段(duan)高(gao)溫(wen)(wen)瞬時和高(gao)溫(wen)(wen)持久的(de)(de)設計理念(nian)，開發(fa)(fa)了(le)(le)4個不(bu)同體(ti)系的(de)(de)新型耐(nai)高(gao)溫(wen)(wen)鋁(lv)合金(jin)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，分別(bie)在(zai)哈爾濱東(dong)安發(fa)(fa)動機(集(ji)團(tuan))有限公司(si)(si)、西(xi)南鋁(lv)業(集(ji)團(tuan))有限責任公司(si)(si)等公司(si)(si)完(wan)成(cheng)了(le)(le)大尺寸鑄件(jian)、板材(cai)(cai)和鍛件(jian)的(de)(de)中試(shi)實(shi)驗(yan)，所制備(bei)的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)正在(zai)多(duo)家單位(wei)開展應用合作(zuo)研究(jiu)。同時還(huan)在(zai)《自然通訊》（ Nature Communications）、《材(cai)(cai)料(liao)(liao)學報》（Acta Materialia）、《材(cai)(cai)料(liao)(liao)研究(jiu)快報》(Materials Research Letters)等期刊(kan)上(shang)發(fa)(fa)表了(le)(le)一系列文(wen)章，并(bing)獲得了(le)(le)Materials Research Letters 期刊(kan)首屆唯一一篇(pian)“最具影響(xiang)力”論文(wen)獎(jiang)。