航空航天、交通運輸等領域對材料輕量化的需求日益迫切，同時許多部件/構件的服役溫度逐漸跨越到250℃-400℃範圍內，輕質、高強、耐熱的新型金屬材料應用潛力巨大。但合金的耐熱溫度一般地與其熔點和比重正相關，即熔點越高、比重越大其耐熱溫度越高，反之亦然，因此輕質低熔點耐熱合金的研發就成為了金屬材料領域國際競爭的焦點之一。相對於其它金屬材料，鋁合金是在該溫度範圍內使用最具競爭力的一類高強輕合金材料。但是傳統鋁合金中賴以強化的納米沉澱相顆粒在200℃以上溫度會發生嚴重的粗化，使其對基體的強化效果損失嚴重，特別是在施加外力的高溫蠕變工況下，傳統鋁合金材料將發生快速軟化、導致最終結構失穩。如何提高納米沉澱相顆粒的熱穩定性，進而改善高強鋁合金的抗高溫蠕變性能，是鋁合金甚至輕合金體係的國際性科學與技術難題。

　　針對耐熱高強鋁合金的重大需求，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室劉剛教授和孫軍院士團隊開展了持續研究。近日，該團隊博士研究生薛航與青年教師楊衝、張鵬、張金鈺和劉福柱合作，在400°C級別耐熱高強鋁合金材料的研發上取得突破。他們提出了納米沉澱相顆粒晶格間隙位置異質原子有序化的全新熱穩定化設計策略，在常見的Al-Cu-Mg-Ag合金中添加微量稀土Sc原子，采用雙級時效工藝克服了慢擴散原子Sc與快擴散原子Cu之間有效耦合在時間上的“失配”，在原有納米沉澱相Ω的基礎上，通過原位相變路徑實現了這兩類原子在空間上的周期性自組裝(圖1)，形成了具有極高熱穩定性，同時具有大體積百分數的一種新型納米沉澱相顆粒(命名為V相)。該納米沉澱相顆粒即使在400°C( > 0.7倍鋁合金絕對熔點溫度)的長時服役(> 200小時)後仍未見粗化，保持了完美的界麵共格結構，從而使得材料表現出超常的高溫力學性能：400oC拉伸強度>100 MPa，超過所有報導的鋁合金1倍以上；400oC下拉伸蠕變穩態蠕變塑性與所有報導的高強鋁合金或鋁基複合材料相比降低了2-3個數量級，特別是在10-7/s臨界穩態蠕變速率下蠕變應力突破了40 MPa (圖2)。這一高性能耐熱鋁合金的研製成功突破了高強鋁合金的服役溫度極限，為開發新型耐高溫輕質金屬材料提供了微觀組織設計思路。特別是研究工作還發現了Ω沉澱相界麵上共格台階提供Sc原子擴散浸入通道的相變新機製(圖3)，這是1960年代Aaronson提出台階為盤片狀納米沉澱相顆粒生長機製以來，所揭示的台階另一個功能性作用，拓展了台階在金屬材料固態相變中的調控潛力。

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

Sc原子在間隙位置的周期性分布可從HAADF照片以及能譜圖(c & f)上確定

圖2 研發的新型耐熱鋁合金在400°C下的拉伸曲線(a)和蠕變性能(b)及其與其它鋁合金/鋁基複合材料的對比

(a中插入圖為室溫屈服強度vs 400°C拉伸強度的對比)

圖3 原位相變過程中界麵台階(CL)提供Sc原子擴散通道並誘發Ω相→V相相變的原子尺度HAADF

和三維原子探針(APT)實驗結果：a、b和c分別代表相變前、相變中和相變後

d 顯示出一個Ω相在多處同時發生了V相原位轉變(V-1, V-2, V-3)，每一處相變位置均與共格台階有關

　　相關研究結果以《高熱穩定性納米共格沉澱相：擴散控製的溶質侵入與間隙有序化調控》(Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering)為題在線發表在《自然材料》(Nature Materials)上，博士生薛航和楊衝副教授為文章共同第一作者，劉剛教授和孫軍院士為共同通訊作者。文章合作者還包括法國格勒諾布爾大學的F. De Geuser博士和A. Deschamps教授，蘭州大學陳斌博士和彭勇教授，以及意大利帕多瓦大學的邊建軍博士。《自然材料》（Nature Materials）期刊同時還發表了由美國橡樹嶺國家實驗室合金設計團隊負責人A. Shyam博士署名的題為《耐熱鋁合金》(Heat-resistant aluminum alloys)的專題評述文章，認為該工作“創製新型納米沉澱相的合金設計新策略，使得所製備的鋁合金在近乎其絕對溫度熔點的80%，即高達400°C下仍然具有史無前例的高強度和抗高溫蠕變性能，將對航空航天、交通運輸等關鍵部件用、近熔點溫度下服役的合金設計製備與應用及其未來發展產生深遠影響”。

　　近年來，該團隊專注於高強鋁合金的熱穩定化研究，先後提出了沉澱相界麵溶質偏聚、多層級組織界麵共格互鎖、高濃度空位複合體化、沉澱相間隙有序化等多個微觀組織設計策略，分別形成了300-400°C溫度段高溫瞬時和高溫持久的設計理念，開發了4個不同體係的新型耐高溫鋁合金材料，分別在哈爾濱東安發動機(集團)有限公司、西南鋁業(集團)有限責任公司等公司完成了大尺寸鑄件、板材和鍛件的中試實驗，所製備的材料正在多家單位開展應用合作研究。同時還在《自然通訊》（ Nature Communications）、《材料學報》（Acta Materialia）、《材料研究快報》(Materials Research Letters)等期刊上發表了一係列文章，並獲得了Materials Research Letters 期刊首屆唯一一篇“最具影響力”論文獎。