新型耐熱材料突破500℃服役極限

研究團隊採用增材製造製備方法在五百攝氏度級耐熱高強鋁合金研究中取得重要進展

研究團隊提出“熱穩定雙相

互鎖穩定化”的設計新策略

新型耐熱材料突破500℃服役極限

航空航天、先進能源和高端裝備製造等關鍵領域對結構材料輕量化與高溫服役能力這兩項通常難以兼得的雙重性能指標的需求日益迫切，輕質、高強、耐熱鋁合金是實現結構減重的核心候選材料之一。中國西安交通大學研究團隊聯合上海交通大學、法國格勒諾布爾大學合作攻關，採用增材製造製備方法在五百攝氏度級耐熱高強鋁合金研究中取得重要進展。

研究團隊提出“熱穩定雙相互鎖穩定化”的設計新策略，讓兩種耐熱納米顆粒在三維空間範圍內成對生長、彼此“鎖定”，實現了一加一大於二的高溫組織穩定化效果。

研究團隊利用增材製造中非平衡凝固的溶質截留效應，通過添加微量鈧、鋯元素，在原胞狀結構周圍形成緻密鋁—釩—鈧—鋯納米非晶結構；再經四百攝氏度短時熱處理後，胞狀結構與其周圍的非晶結構間發生由V原子擴散主導的耦合原位相變。兩相緊密結合、成對分佈，形成複合納米析出相，平均尺寸僅五十六納米，析出相含量與細化程度均遠超傳統工藝製備的耐熱鋁合金。

研究人員指出，近年來耐熱鋁合金成為了航天航空等行業內的研究熱點，逐步開發出服役溫度可以超過二百攝氏度的新型鋁合金材料，團隊曾提出了快擴散溶質原子與慢擴散原子耦合的設計策略，研製出三百至四百攝氏度溫度級耐熱高強鋁合金系列材料，並實現了工程化應用突破。面向更高溫度需求，五百攝氏度被公認為鋁合金難以逾越的天花板服役溫度——這意味着發動機周邊等高溫部位至今只能採用密度更大的鈦合金或高溫合金，減重潛力難以進一步發揮。五百攝氏度級耐熱鋁合金將是鋁合金領域顛覆性的材料與技術突破。

研究進一步揭示，這種兩相共生結構形成了獨特的“生長相互約束”效應：兩種納米相顆粒介面相互釘扎，從動力學層面抑制了析出相的高溫粗化。這種基於動力學約束的穩定化機制區別於傳統介面溶質偏聚等熱力學主導的穩定化思路，賦予複合析出相前所未有的抗粗化能力。超常的微觀組織熱穩定性帶來了突破性的高溫力學性能，該合金在四百攝氏度下抗拉強度高達二百三十兆帕、五百攝氏度下仍保持約一百二十兆帕的高強度，顯著超越現有鑄造與增材製造鋁合金的高溫強度水平。在四百至五百攝氏度下抵抗長時緩慢變形的能力（穩態蠕變速率）與現有耐熱鋁合金相比均高出二至三個數量級，其五百攝氏度時抗蠕變性能甚至優於多數傳統耐熱鋁合金在四百攝氏度下的表現。

研究人員表示，以上研究首次將可近淨成形（打印即接近零件最終形狀、幾乎無需再加工）增材製造鋁合金的服役溫度提升至五百攝氏度量級，打破了“耐熱高強鋁合金無法突破五百攝氏度服役極限”的傳統認知，有望在航空航天高溫結構件、新能源裝備換熱部件等領域實現大幅減重與能效提升。

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