1Gpa级超高强度铝合金的制备

1Gpa压强约合10万个大气压,相当于海底1千米深处的水压。要在普通实验室达到1Gpa这样的极高压强进行实验是非常困难的,需要专业的高压实验设备。最近研究表明,通过高压扭转和粉末冶金技术的结合,可以制备出近1Gpa的超高抗拉强度铝合金。该合金的强化机制包括纳米晶态/亚晶粒晶界强化和纳米氧化物颗粒及二次沉淀相强化。这为设计超高强度铝合金提供了新途径。

1Gpa压强意味着极高的压力

1Gpa压强约合10万个标准大气压,相当于海底1千米深处的高压。这是一个极其高的压强值。要在普通实验室达到1Gpa这样的超高压强进行相关实验是极其困难的。需要专业的高压实验设备和严密的环境参数控制,包括高压设备、温度调节等。目前普通实验室的条件还难以满足这些要求,所以1Gpa条件下的高压实验目前还局限在理论计算和预期上。

高压扭转和粉末冶金相结合制备超高强度铝合金

最近北航的研究表明,通过高压扭转和粉末冶金技术的结合,可以制备出近1Gpa的超高抗拉强度铝合金。高压扭转将铝合金粉末的氧化物层破碎,使其分散并均匀地分布在基体中。这些纳米氧化物颗粒与基体中的Cu,Mg元素形成复合强化,与晶界、析出物等多重强化机制叠加,明显提升了铝合金的抗拉强度,最终使铝合金合金的抗拉强度达到了992Mpa,接近1Gpa的巨大值。这为后续设计更高强度的铝合金提供了重要参考和途径。

多重强化机制协同作用显著增强合金强度

该高强度铝合金的强化机制主要来自于多重强化机制的叠加效应。这包括纳米晶态/亚晶粒晶界强化、纳米氧化物颗粒强化、析出相强化等。其中均匀分散的纳米级氧化铝颗粒的引入,延缓了动态结晶,细化了晶粒和亚晶粒尺寸。与基体中Cu、Mg元素共同形成的强化作用,与晶界和沉淀相强化机制叠加,协同作用下使最终合金抗拉强度大幅提升至接近1Gpa,这为未来设计更高强度铝合金提供了有效途径。

纳米结构是超高强度铝合金的关键

上述工作中,通过结合粉末冶金和高压扭转技术,在2024铝合金中获得了包括115nm的纳米晶粒、36nm的亚晶粒,以及均匀分散的纳米氧化物颗粒和纳米析出相等的多层次纳米结构。这种特殊的纳米结构是使铝合金最终获得992Mpa接近1Gpa超高抗拉强度的关键。其多尺度的纳米强化相协同作用,使铝合金强度大幅提升,突破强度极限。这为未来设计更高强度铝基纳米复合材料提供了重要借鉴。

综上所述,最近研究表明通过高压扭转和粉末冶金技术的结合,可以制备出接近1Gpa抗拉强度的超高强度铝合金。该合金通过多重纳米强化机制的叠加效应获得了显著的强度提升,为设计更高强度铝基合金提供了有效途径。