天津大學(xué)，Nature Materials！
2024-04-29 17:22:22
作者：材料PLUS 來(lái)源：材料PLUS
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氧化分散強(qiáng)化（ODS）合金是一種高強(qiáng)度材料，具有優(yōu)異的耐高溫和耐輻照性能，在極端環(huán)境（如高溫和耐輻射應(yīng)用）中展現(xiàn)出了巨大的潛力。從經(jīng)典力學(xué)的角度來(lái)看，要在ODS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高水平的力學(xué)性能，關(guān)鍵在于將氧化物顆粒尺寸控制在10nm以下。此外，當(dāng)在惡劣的高溫環(huán)境中使用時(shí)，氧化物顆粒和基體之間的限定失配對(duì)提高界面和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，氧在金屬中的溶解度較低而擴(kuò)散率較高，使得通過(guò)傳統(tǒng)的溶液沉淀法，難以將穩(wěn)定的沉淀氧化物團(tuán)簇或顆粒控制在10nm以下。此外，氧化物與金屬間固有的物理和化學(xué)性質(zhì)差異巨大，實(shí)現(xiàn)其良好相干性面臨巨大挑戰(zhàn)。目前，氧化物主要通過(guò)原位反應(yīng)或外部混合方式引入合金中。盡管利用納米氧化物前體在液體系統(tǒng)中的良好遷移率和低表面能，通過(guò)化學(xué)處理方法，已成功開(kāi)發(fā)了許多用于可還原金屬如Fe、Mo、Ni和W的ODS合金。但是，由于傳統(tǒng)技術(shù)難以將氧化物顆粒均勻分散在不可還原金屬（如Al、Mg、Ti、Zr等）中，目前市場(chǎng)上仍缺乏針對(duì)這些金屬的ODS合金。近日，天津大學(xué)何春年教授和張翔副研究員提出了一種實(shí)現(xiàn)ODS鋁合金的策略，通過(guò)粉末冶金，利用具有原位生長(zhǎng)的類石墨烯涂層的納米顆粒，成功地將高分散的5nm MgO納米顆粒引入合金中，從而顯著降低了表面能。值得注意的是，與Al基體具有完全相干關(guān)系的密集分散的MgO納米粒子顯示出對(duì)界面空位擴(kuò)散的有效抑制，從而實(shí)現(xiàn)了前所未有的強(qiáng)度（~200MPa）和在高達(dá)500°C下的蠕變阻力。本研究的加工方法應(yīng)該能夠?qū)⒊?xì)納米顆粒分散在廣泛的合金中，用于高溫相關(guān)應(yīng)用。相關(guān)研究工作以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。
研究者提出了一種“界面置換”策略，以實(shí)現(xiàn)金屬氧化物納米顆粒的致密均勻分散，從而獲得具有優(yōu)異機(jī)械性能的ODS 鋁合金。該策略核心在于用原位生長(zhǎng)在MgO NPs表面上的幾層類石墨烯（GL）涂層之間的弱連接范德華力取代強(qiáng)結(jié)合的MgO–MgO顆粒界面。在固態(tài)PM工藝過(guò)程中，增強(qiáng)顆粒的表面改性導(dǎo)致分散狀態(tài)發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，從不受控制的團(tuán)簇轉(zhuǎn)變?yōu)锳l基體中完全分散的單個(gè)NPs，含量高達(dá)8.0 vol%（簡(jiǎn)稱MgO@GL/Al）。這種密集分布的MgO NPs與Al形成了完全相干的界面，從而為金屬中的原子擴(kuò)散提供了強(qiáng)大的屏障。因此，所制備MgO@GL/Al顯示出超高的極限抗拉強(qiáng)度（UTS），在300°C時(shí)UTS高達(dá)~420MPa，在400°C時(shí)達(dá)到~310MPa，在500°C時(shí)仍有~200MPa，且在300-500°C范圍內(nèi)展現(xiàn)出出色的抗蠕變性能。
圖2. 擠壓態(tài)ODS合金的力學(xué)性能
圖4. MgO/Al界面與立方體上立方體取向關(guān)系
總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究提出了一種高效且通用的方法，以解決合金中長(zhǎng)期困擾的氧化物納米顆粒分散問(wèn)題，尤其對(duì)于不可還原的金屬基體而言。通過(guò)采用界面置換策略，成功實(shí)現(xiàn)了相干MgO納米顆粒的致密均勻分布，從而顯著提升了ODS鋁合金的蠕變抗性和高溫機(jī)械性能（高達(dá)500°C），超越了以前的鋁合金和復(fù)合材料。研究者特別強(qiáng)調(diào)了同時(shí)控制ODS系統(tǒng)中的分布、粒度和界面關(guān)系的關(guān)鍵作用，這一戰(zhàn)略為開(kāi)發(fā)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能材料奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。https://www.nature.com/articles/s41563-024-01884-2
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