基于前驱团簇演变及纳米粒子网构筑的耐热高强铝合金的基础研究

In this work, a novel thinking is developed by in situ building a three-dimensional network structure consisted of thermal stability nano-particles like AlN, Al3BC synthesized in Al melts, aiming to significantly improve the elevated-temperature mechanical properties of aluminum alloys and meet the imperative requirement for engine manufacturing, aerospace, national defense etc. The evolution of precursor clusters during in-situ synthesizing nano particles and the forming principle of twin-induced three-dimensional network will be demonstrated, characterizing by liquid X-ray Diffraction. Utilizing micro focus X-ray radiography setup and three dimensional observations, the structure of net cell which is basic unit of the network and their mutual connection relationship will be illuminated. Based on in-situ high resolution characterization of the twin-bonding between nano particles in the network, the investigation and control of interface between the three-dimensional network structure and aluminum matrix will be conducted. Moreover, the strengthening mechanism of the network will be figured out by analyzing the network shape and deformation performance at elevated temperatures, particle/Al matrix interface structure, crack initiation and expansion, load transmitting and fracture failure modes at elevated temperatures. This work is regarded of great significance in both science and engineering, acting as a theoretical supporting for developing high-performance heat resistance light-metal based materials.

项目提出在铝熔体中原位合成热稳定性好的AlN、Al3BC等纳米粒子，并构筑三维网骨架结构，以大幅提高铝合金高温力学性能的新思路，研制出耐热高强铝合金材料新体系，满足现代发动机制造、航空航天和国防等领域轻量化发展和材料转型升级的紧迫需要。拟利用液态金属X射线衍射仪等分析手段，研究多相铝熔体中原位生成纳米粒子的前驱团簇演变与孪晶诱导纳米粒子网构筑机制；采用微聚焦X射线原位观测和三维表征技术，阐明粒子网骨架构成单元网胞的结构及其相互联结方式；基于三维网骨架中纳米粒子间的孪晶结合方式及高分辨原位表征手段，研究三维网骨架与铝基体间的界面结构及其调控机制；从网状三维结构、粒子与基体界面结构、载荷传递、骨架与基体协调变形、裂纹萌生与扩展及材料高温断裂失效模式等角度入手，揭示纳米粒子网对基体的高温强化机制。研究工作为高耐热高强铝合金新材料的研制提供理论支撑，具有重要的科学意义和应用价值。

高端制造领域对铝合金的耐热性能和高温强度要求越来越高，然而受强化相高温不稳定、耐热相构型不可控、耐热相与基体不匹配三大关键共性问题的制约，耐热高强铝合金研究长期以来难以取得实质突破。本项目以高热稳定性的AlN、TiCB、Al3BC等纳米粒子为研究对象，提出在铝熔体中原位合成该类粒子并原位构筑三维网骨架来高温强化铝合金的新思路。主要研究内容为：揭示铝熔体中前驱团簇演变与三维纳米粒子网骨架构筑机制；阐明纳米粒子网骨架对铝基体的高温强化机制与设计准则；提出纳米粒子在铝熔体中的原位合成调控技术；研制新一代耐热高强铝合金和微纳米晶种合金新材料。. 项目的主要研究结果为：（1）突破了B/C/N在铝熔体溶解度局限，实现了AlN、TiCB、Al3BC等纳米粒子的可控反应合成与三维网骨架构筑。（2）基于熔体前驱原子团簇-晶体间结构相关性研究，阐明了AlN骨架的原位构筑机制。（3）建立了耐热高强铝合金的“三化”设计准则，即耐热粒子纳米化、基体晶粒超细化、微纳晶界骨架化。（4）揭示了形核衬底TiCx与α-Al间晶体学位向关系为：[011]Al//[011]TiCx，(111)[011]Al与(111)[011]TiCx呈 21°夹角，提高了晶格匹配度；提出了TiCx与Al界面处富Ti过渡层形成的关键阈值x为0.92，当x＜0.92时，TiCx在铝熔体中可连续释放Ti溶质，以促进富Ti过渡层的形成。（5）发明并研制出Al-TiCB等晶种合金并实现了工业化应用。（6）研制了系列耐热高强铝合金等新材料，研发的耐热高强铝合金350℃拉伸强度达217 MPa，400℃拉伸强度达177 MPa。. 项目的科学意义：前驱团簇演变调控拓展了金属熔体研究领域；耐热高强铝合金设计准则的建立为高性能轻合金材料研究开辟了新思路。项目的工程价值：耐热高性能铝合金为高功率密度发动机、5G基站、空天飞行器、国防军工等装备领域轻量化提供了材料支撑；Al-TiCB等晶种合金的研制为铝合金材料转型升级提供了有利“抓手”。项目组发表期刊论文72篇，其中SCI收录69篇，EI收录3篇；授权国家发明专利16项，申请美国专利1项；会议报告49个；制定国家团体标准1项，企业标准2项；成果转化4项共计100万元；获山东省首届“创业齐鲁·共赢未来”高层次人才创业大赛优胜人选。