南京理工大学陈光院士团队JMST：突破耐热铝合金400°时高温强度极限！

  导读：耐热铝合金因其在轻量化设计和节约能源等方面的优势，被大范围的应用于航空航天和汽车领域制造热端部件。然而，由于强化相的粗化和转变，现有铸造铝合金在350℃下的高温强度始终被限制在100 MPa左右。本文发现T6态Al-8.4Cu-2.3 Ce-1.0 Mn-0.5 Ni-0.2 Zr合金在400℃下的屈服强度和极限抗拉强度在300℃下再时效100 h后分别提高了34 %和44 %，其热强性较传统耐热铝合金表现出明显的优势。高温强度的提高归因于含Ni的T - Al20Cu2Mn3相的再析出，其数量密度增加了1倍以上。Ni、Ce和Zr元素在界面处的显著偏析有助于提高T相的耐热性。热稳定T相通过抑制位错运动有效强化基体。同时，在300℃长期再时效后，沿晶界分布的高度互连的三维金属间化合物网络仍旧能保持，这有利于在高温下对晶界施加拖曳作用。这一发现为提高耐热铝合金的高温强度提供了一条可行的途径，为耐热铝合金的高温应用提供了更多的机会。

  铝合金具有比强度高、高温强度高、抗氧化和抗腐蚀等优异性能，被大范围的应用于航空航天和汽车工业的轻质结构件中。同时，随着现代工业的加快速度进行发展，对具备优秀能力高温力学性能的铝合金的需求持续不断的增加。然而，现有铸造铝合金在350℃下的屈服强度始终限制在100 MPa左右，难以满足使用上的要求。以往的工作主要关注通过合金化来提高目前常用的铝合金的高温强度，但改善幅度很小。与传统的铝合金不同，Al - Cu - RE系合金具备优秀能力的高温强度。特别是Al - Cu - RE - Mn - Zr合金在300℃以上表现出更好的力学性能。晶界处的金属间化合物和晶粒内部的纳米相在高温变形过程中起着至关重要的作用，这归因于对晶界和位错的钉扎作用。

  值得注意的是，影响耐热铝合金高温力学性能的因素之一是强化相的粗化和相变行为。对于Al - Cu - RE - Mn - Zr合金，θ′- Al2Cu是主要的纳米强化相之一，但其热稳定温度不高于200℃。亚稳θ′- Al2Cu析出相在高温下随时间粗化，随后向平衡θ - Al2Cu析出相转变。粗化的θ′或转变的θ颗粒降低了阻碍位错运动的效果，从而恶化了合金的高温强度。然而，研究人员发现Al - Cu - Mn合金经高温暴露后，其微观组织和力学性能会得到一定的改善。Sun等研究之后发现，Al - Cu - Mn - Zr合金经300℃热暴露200 h后，Mn和Zr元素降低了θ′相的界面能，降低了θ′相粗化的热力学驱动力，提高了合金的高温组织稳定性。此外，另一种纳米尺寸的T - Al20Cu2Mn3具备优秀能力的耐热性，通常在均匀化或固溶处理过程中形成，可当作铝合金中的耐热增强相。

  除了晶粒内部的纳米相，金属间化合物在晶界处的强化作用，阻碍晶界迁移和滑动，也受到热暴露的影响。由复杂的网状金属间化合物相形成的闭合或半闭合环状结构可以轻松又有效地钉扎晶界。然而，当暴露温度超过晶间化合物的热稳定温度时，具有复杂形貌的金属间化合物相会发生破碎、球化和溶解。结构的抗变形力下降，从而高温强度恶化。

  纳米CTGE机绘制的铝化物网络体积：( a ) T6态，( b ) 300℃/ 100 h再时效处理后相同区域，体积大小 = 1.6 mm × 1.6 mm × 2.6 mm；( a-3 , b-3)分别为( a-1 , b-1)中的截取部分；红色和蓝色部分代表相互连接的金属间化合物，( a-2 , b-2)中紫色部分代表非连接的金属间化合物，白色部分代表铝合金基体。

  在本研究中，我们展示了一种析出热增强相的再时效处理策略，使铝合金在400℃下获得了更高的强度。T6态Al - 8.4 Cu - 2.3 Ce - 1.0 Mn - 0.5 Ni - 0.2 Zr合金在400℃下的屈服强度和极限抗拉强度分别从93 MPa和105 MPa提高到125 MPa和148 MPa。基于全面的实验分析，能得出本研究最重要的结果：

  ( 2 )经300℃再时效100 h后，在θ′相共格界面上明显形成了Mn、Zr、Ni元素的混合层，而Ni、Ce、Zr元素则偏聚在T相与Al基体的界面处。

  ( 3 )高温强度的提高归因于再时效过程中T相的再析出，能抑制位错运动。返回搜狐，查看更加多