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天津大学，Nature Materials！

2024-05-06 14:00:10 0 477

研究背景

氧化分散强化（ODS）合金是一种高强度材料，具有优异的耐高温和耐辐照性能，在极端环境（如高温和耐辐射应用）中展现出了巨大的潜力。从经典力学的角度来看，要在ODS系统中实现高水平的力学性能，关键在于将氧化物颗粒尺寸控制在10nm以下。此外，当在恶劣的高温环境中使用时，氧化物颗粒和基体之间的限定失配对提高界面和微观结构的稳定性至关重要。然而，氧在金属中的溶解度较低而扩散率较高，使得通过传统的溶液沉淀法，难以将稳定的沉淀氧化物团簇或颗粒控制在10nm以下。此外，氧化物与金属间固有的物理和化学性质差异巨大，实现其良好相干性面临巨大挑战。目前，氧化物主要通过原位反应或外部混合方式引入合金中。尽管利用纳米氧化物前体在液体系统中的良好迁移率和低表面能，通过化学处理方法，已成功开发了许多用于可还原金属如Fe、Mo、Ni和W的ODS合金。但是，由于传统技术难以将氧化物颗粒均匀分散在不可还原金属（如Al、Mg、Ti、Zr等）中，目前市场上仍缺乏针对这些金属的ODS合金。

研究成果

近日，天津大学何春年教授和张翔副研究员提出了一种实现ODS铝合金的策略，通过粉末冶金，利用具有原位生长的类石墨烯涂层的纳米颗粒，成功地将高分散的5nm MgO纳米颗粒引入合金中，从而显著降低了表面能。值得注意的是，与Al基体具有完全相干关系的密集分散的MgO纳米粒子显示出对界面空位扩散的有效抑制，从而实现了前所未有的强度（~200MPa）和在高达500°C下的蠕变阻力。本研究的加工方法应该能够将超细纳米颗粒分散在广泛的合金中，用于高温相关应用。

相关研究工作以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

研究内容

研究者提出了一种“界面置换”策略，以实现金属氧化物纳米颗粒的致密均匀分散，从而获得具有优异机械性能的ODS 铝合金。该策略核心在于用原位生长在MgO NPs表面上的几层类石墨烯（GL）涂层之间的弱连接范德华力取代强结合的MgO–MgO颗粒界面。在固态PM工艺过程中，增强颗粒的表面改性导致分散状态发生实质性变化，从不受控制的团簇转变为Al基体中完全分散的单个NPs，含量高达8.0 vol%（简称MgO@GL/Al）。这种密集分布的MgO NPs与Al形成了完全相干的界面，从而为金属中的原子扩散提供了强大的屏障。因此，所制备MgO@GL/Al显示出超高的极限抗拉强度（UTS），在300°C时UTS高达~420MPa，在400°C时达到~310MPa，在500°C时仍有~200MPa，且在300-500°C范围内展现出出色的抗蠕变性能。

图1. MgO NPs在Al基体中的均匀分散

图2. 挤压态ODS合金的力学性能

图3. 挤压态ODS合金的抗蠕变性能

图4. MgO/Al界面与立方体上立方体取向关系

图5. GB稳定性和蠕变行为

结论与展望

总的来说，这项研究提出了一种高效且通用的方法，以解决合金中长期困扰的氧化物纳米颗粒分散问题，尤其对于不可还原的金属基体而言。通过采用界面置换策略，成功实现了相干MgO纳米颗粒的致密均匀分布，从而显著提升了ODS铝合金的蠕变抗性和高温机械性能（高达500°C），超越了以前的铝合金和复合材料。研究者特别强调了同时控制ODS系统中的分布、粒度和界面关系的关键作用，这一战略为开发先进结构与功能材料奠定了坚实基础。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01884-2

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