耐热铝合金的组织设计与合金制备

本文介绍西安交通大学孙军院士最近在《金属学报》上发表的关于耐热铝合金的研究论文。”

背景问题

轻量化是航空航天、交通运输等领域实现“双碳”目标的核心需求，而铝合金作为轻量化结构材料的代表，其高温性能不足成为关键瓶颈。传统高强铝合金（如Al-Cu、Al-Zn-Mg系）依赖纳米沉淀相（如θ'、Ω相）的时效强化，但这些相在200℃以下稳定，300~400℃高温下因溶质原子快速扩散和Ostwald熟化效应导致沉淀相粗化，强度急剧下降（如7075铝合金300℃强度仅为室温的10%）。随着高速飞行器、超音速运输工具的发展，亟需开发可在300~400℃长期服役的耐热铝合金。

设计策略

作者团队提出快扩散溶质原子(如Cu、Zn、Mg等)与慢扩散溶质原子(过渡族金属如Zr、Sc、Ti等)耦合以制备高热稳定性、大体积分数强化相的微观组织设计策略的微观组织设计策略，通过微合金化调控界面能与扩散动力学，实现沉淀相热稳定化：

（1）沉淀相界面原子偏聚设计

原理：利用慢扩散元素（如Sc、Zr）在沉淀相（如θ'-Al₂Cu）界面偏聚，降低界面能（热力学抑制）并阻碍快扩散原子（Cu）迁移（动力学抑制）。

案例：Al-Cu-Sc合金通过三级热处理，使Sc原子在θ'相界面形成“防热层”，300℃稳态蠕变速率降低2~3个数量级。

（2）异质原子间隙有序化设计

原理：将慢扩散元素（如Sc）引入沉淀相（如Ω-Al₂Cu）间隙位置，增强原子结合能，提升溶解势垒。

案例：Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金中Sc原子在Ω相间隙有序占位，形成高热稳定性V相，400℃拉伸强度超100 MPa（较其他铝合金材料提升1倍以上）。

（3）多级异质相界面共格耦合设计

原理：结合微米级共晶相（如Al₁₁Ce₃）与纳米级沉淀相（如θ'-Al₂Cu），通过界面共格化（如Al₃Sc中间层）协调变形能力。

案例：Al-Ce-Cu-Sc合金中多层级界面结构使300℃蠕变应力阈值超80 MPa，兼具抗蠕变与室温强度。

主要意义

科学价值：提出“界面能-扩散协同调控”新机制，突破传统时效强化理论局限。揭示多层级组织（原子偏聚、间隙有序、共格耦合）对热稳定性的跨尺度作用规律。构建“热力学-动力学-工艺参数”全链条设计框架，为耐热材料开发提供普适性方法。

工程应用：Al-Cu-Sc板材已批量生产，已在相关航空航天单位开展了应用合作研究。Al-Cu-Mg-Ag-Sc锻件完成中试和小批量生成，并应用于相关航空航天构件上。Al-Ce-Cu-Sc大尺寸铸件通过台架试验，将用于航空关键部件。

未来展望

耐热铝合金的未来发展仍将以大体积分数、高热稳定性第二相的精细调控以及多层级复合为主，结合材料设计新原理与制备新方法，进一步突破温度极限和服役瓶颈。其中以下几方面值得特别关注：

（1）在材料设计方面，发展新型多元素纳米沉淀相颗粒，探索高熵组元纳米第二相和超大体积分数共格纳米第二相，同时细化、韧化共晶相组织；

（2）在材料制备方面，重点关注以增材制造为代表的快冷速或亚快冷速制备方法，通过主合金元素以及过渡族微合金元素的高固溶以及空位等晶体缺陷密度的大幅提高，探索奇异固态相变行为；

（3）在材料服役方面，揭示高温下的变形断裂行为及其内在机理，阐明多层级特征微观组织的耦合强韧化作用，澄清热-力外场下微观组织动态演变规律及其对服役寿命的影响。”——孙军等,《金属学报》,2025。

论文信息

耐热铝合金：组织设计与合金制备

孙军,刘刚,杨冲,张鹏,薛航

通讯作者：孙军（西安交通大学）

金属学报,2025,61(4):521-525.

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2024.00345?sessionid=530461106

论文部分图片，孙军等,《金属学报》,2025