未来铝合金还可以在哪些性能方面有所突破

金属中的原子扩散率高，通过调整扩散过程，使其结构和性能具有很大的可调性，但这导致它们的性能在高温下不稳定。通过制造单晶或大量合金化来消除扩散界面有助于解决这个问题，但在较高的同源温度下不能抑制原子扩散。

在此，来自中国科学院金属研究所的 李秀艳&卢柯 院士等研究者， 研究发现Schwarz晶体结构，在具有极细晶粒的过饱和铝镁合金中，可以有效地抑制原子扩散。 相关论文以题为“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure insupersaturated Al–Mg alloys”发表在最新一期Science上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/683

由于原子间键的性质，相对于陶瓷和具有共价键或离子键的化合物，金属中的原子扩散率明显更高。通过在合成和后续处理过程中定制扩散控制过程，这一特性使得结构在不同长度尺度上具有很大的可调性，从而使金属材料具有广泛的性能和性能。例如，铝合金可以通过在室温附近时效以析出金属间化合物而硬化。在热机械处理中，通过控制扩散相变可以广泛地调节钢的强度和塑性。 然而，当金属暴露在高温或机械载荷下时，高原子扩散率使得金属的结构和定制性能不稳定。这种不稳定性成为金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了它们在高温下的技术应用。

抵抗原子在金属中的扩散是一项挑战，尤其是在高温下。在高熵合金中，几种不同的金属元素混合在一个晶格中，将金属与外来元素大量合金化会受到抑制晶格扩散的限制。与更开放的结构相关联的界面或晶界(GBs)，被认为是原子相对于晶格的快速扩散通道。通过优化其他元素的GB偏析，可以减缓沿GB的扩散。 然而，随着合金化程度的增加，第二相形成的趋势增加，限制了GB合金化的发展。

通过形成单晶消除扩散界面，是降低扩散率的常用策略，例如，在涡轮发动机的高温应用中制造高温合金单晶叶片的实践。然而，即使在单晶金属中，高扩散系数在较高的温度下也不能被抑制。取代扩散和自扩散是由空位扩散机制控制的。在较高的相应温度下，晶格中的平衡空位浓度显著增加，不可避免地提高了原子的扩散率。

近期，研究者在纯铜中发现了一种极细晶粒的亚稳态结构：一种Schwarz晶体结构，其界面受孪晶界限制最小 。尽管它包含极高密度的界面，这种结构在接近熔点的高温下表现出非常高的热稳定性，以防止晶粒粗化。因此， 探索 这种稳定的Schwarz晶体结构是否能够抑制合金中原子在高温下的扩散是非常有趣的。

铝是一种高扩散率金属，Mg是其最扩散的合金元素之一。在此，研究者观察了具有Schwarz晶体结构的过饱和Al-Mg合金的扩散行为。在不同的温度下，研究了金属间化合物的析出、晶粒粗化和熔化等扩散过程。研究发现Schwarz晶体结构在结构熔化前有效地抑制原子扩散。通过形成这些稳定的结构，抑制了扩散控制的金属间化合物从纳米晶粒的析出和它们的粗化，直到平衡熔化温度，在平衡熔化温度附近表观跨界扩散率降低了约7个数量级。利用 Schwarz 晶体结构开发先进的工程合金，可能会为高温应用带来有用的性能。

图1 SC-8样品的结构表征。

图2 退火后结构演变。

图3 晶格常数和晶粒尺寸的稳定性。

图4 退火后元素分布。

在此，研究者在这种过饱和Al-Mg合金中的观察结果与之前在纯Cu Schwarz晶体样品中观察到的抑制粗化直至熔点的纳米晶粒的观察结果相一致，这是一个自扩散控制的过程。Schwarz晶体结构在金属中的无扩散特性对于理解基本的界面扩散过程和固态输运动力学具有重要意义，特别是在高温下。Schwarz晶体似乎为阻止原子在金属和替代合金中的扩散提供了一个坚固的屏障，提高了熔点温度的稳定性。这种稳定性远高于传统合金。 利用Schwarz晶体结构开发先进的铝和其他合金，将使材料在高温应用中具有有用的性能 。（文：水生）

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多国纷登月球火星，航天铝材喜迎新需

2月13日，俄罗斯公布了与我国携手打造月球科研站计划。日前，双方正在研究项目技术落实事宜。美国也在运作类似的课题，进展很快，不久美国月球基地即会亮相。2021年是人类征服火星圆梦之年，自从人类太空 探索 开始以来，火星一直是访问量最大的行星之一，美国的“水手四号”宇宙飞船早在1964年就发回了第一批火星表面照片。2021年2月初以来，3个国家（阿联酋、中国、美国）的探测器欲登陆火星，阿联酋的“希望号”探测器已于2月19日进入环火星轨道，创造了 历史 ；就在第2天，中国的“天问一号”探测器紧随其后进行了相同的操作，将于5月份着陆火星。

中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度、阿联酋等国都已向月球、火星发射过或准备向它们发射探测器， 为航天铝材提供了新的需求阵地，高端铝材及铝基复合材料在航天器装备及发射火箭系统制造中占有极为重要的地位，是一类不可或缺的材料。目前，我国有多家企业都能批量制备各种航天铝材，在火箭用材的净质量中，铝材占94%以上，在航天器结构用材的净质量中，铝材及铝基复合材料也占到约75%。

铝材：航天器发射火箭和结构零部件的顶梁柱

航天铝材大体可为两部分：一是发射火箭用，二是航天器本身零部件结构用。从航天事业一开始，铝材及铝基复合材料就与航天工业结下了不解之缘，不仅获得了广泛的应用，更是不可或缺的关键材料， 虽不能说，没有铝就没有今天这样兴旺发达的航天事业，但可以毫不夸张地说，没有铝合金，像今天这样惊天动地的航天事业至少要延后二三十年。

在航天器与火箭上用的铝合金主要有7078型、2024型、Al-Li合金等；火箭发射用的液氢槽、液氧槽、控制装置、加固-连接环等均是用这类合金材料打造的。

长五奔太空 铝材建殊功

2016年11月3日20时43分，中国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国海南省文昌航天发射场轰然发射升天，约30分钟后进入预定轨道，长征五号运载火箭首次发射任务圆满成功。这一声划破长空的惊天巨响震惊了整个地球，标志着中国跨过了航天强国门槛，进入了世界航天强国俱乐部。

长征五号大型火箭的液氢与液氧贮箱是用什么铝合金焊接的，虽未见媒体报道，但国外发射大型火箭用的液氢、液氧贮箱无论是美国，还是日本和欧洲的，都是用2219合金焊接的，所以笔者认为， 长征五号低温燃料与助燃液氧贮箱也应是用2219型铝合金厚板（ 6mm 10mm）焊的，板材应是中国铝业集团所属工厂生产的，它们有生产航空铝材60年的技术与经验，并通过了航空航天部门的认证。 此外，2015年，无锡市某公司锻造的航天配套环件即是用的2219合金，其外径达8.7米、内径为8.32米。

多国纷登月球火星，航天铝材喜迎新需，中国航天铝材跻身世界强国之列

随着中国跻身世界航天大国和强国之列，航天产业所需的铝材、铝基复合材料、铝制零部件等（除个别零部件外），已全部能自给，并且有些还是世界首创，居世界领先水平，如火箭系统的直径10m整体铝合金环件、大直径喷射沉积AI-Li合金锭及其挤压锻坯等。

直径10m级大锻环中国造

2003年以来，随着我国航天事业的飞速发展，大推力火箭和宇航器所需的铝合金锻环直径在不断加大，急需直径达5m及5m以上的锻环，而且除航天领域外，在中远程战略导弹及舰载火炮等兵器领域也同样需要大直径铝合金锻环。此前，由于设备能力所限，东北轻合金有限责任公司（简称“东轻公司”）只能生产最大直径2.9m的锻环，而且生产工艺落后、投料比大、成品率较低，已无法满足我国航天事业发展的需要。作为中国的铝镁合金加工基地，东轻公司审时度势，决定自主研发环轧生产线。2004年，东轻公司把环轧生产线列入了当年的重点建设项目之一，并于2005年6月开始设备的制造工作。2006年3月，环轧生产线安装工作全部结束。2006年6月，中国航天一院的领导就东轻公司参与研制“嫦娥工程”所需的超大直径铝合金锻环进展情况到东轻公司调研，并对东轻公司的设计方案和一系列工作给予了充分肯定。2006年9月12日，东轻公司一次试车成功，轧制出了直径达4m的铝合金锻环，不仅环轧机达到了设计要求，而且淬火炉的最大温差只有 29 ，全面达到了设计标准。

2006年12月30日，在东轻公司自行设计制造具有完全自主知识产权的环轧生产线上，生产出了当时国内最大的铝合金锻环，该锻环直径达5.15m、宽340mm、厚100mm，该公司成为中国火箭锻环的开拓者。

2014年12月，无锡市派克重型铸锻有限公司也成功轧制出了国内最大2219铝合金环锻件。该锻件外径8.7米，内径8.32米，高0.35米，是目前国内最大2219铝合金环锻件，它的问世，突破了国内2219铝合金环件数控碾环成形的多项关键技术，达到行业领先水平。

大型环锻件可广泛用于风力发电、石油化工、矿山机械、能源电站、航空航天、核电燃机等领城。而派克锻造的这块国内目前最大2219铝合金环锻件是某型号火箭配套的关键构件。该环件的研制成功，推动这家民营高 科技 企业成功转型，跨入航天配套领城。

据悉，该铝合金环件涉及多个领城和多项关键技术。后来该公司继续开展了环件热处理、应力消除、整体机械加工等工艺研究，以确保零件的形状及性能满足产品的技术要求和使用要求。

2015年8月初，广西南南铝加工有限公司的“大推力火箭用超大规格铝合金锻坯的开发”项目通过了广西壮族自治区工信委的鉴定验收，满足大规格铝合金整体环的生产，这是我国“十三五”时期重点发展的重型火箭国家重大工程项目所需的关键材料。

南南铝公司通过引进吸收和再创新，建成了目前世界上最先进的硬铝合金熔铸生产线，研究开发了熔体联动精炼、除气、过滤和铸锭多级均匀化热处理等技术，解决了熔体高洁净化、高性能超大规格铸锭半连续铸造成形和组织均匀性控制等重大技术难题，生产了直径1320mm、质量超过20t的超大规格硬铝合金铸锭，并与航天应用单位合作，在世界范围内首次实现直径 8500mm铝合金整体环的制造。

广西壮族自治区工信委组织了由航天设计和应用单位组成的验收专家组对该项目进行鉴定验收，专家组认为该项目完成了任务书提出的各项指标，整体技术达到国内领先、国际先进水平，一致同意通过鉴定验收。

2014年4月10日11点39分，随着轧环机缓缓停止转动， 中铝西南铝与天津特钢精锻有限公司合作研发的首件新型运载火箭用9m级超大型铝合金整体环件研制成功。这是目前世界范围内最大级别的铝合金整体环件。

研制出9m级超大铝合金整体环件，是中铝公司自成功开发出5m级环件轧制工艺技术，结束我国不能生产大规格铝合金巨型环件 历史 以来，在航天新材料领域实现的又一 历史 性突破！

近年来，随着国家重大机械装备制造业的发展，对高性能大型环件提出了迫切需求，大型环件的制造能力已经成为国家基础制造能力的标志和国防重要保障。2012年，中国航天 科技 集团进行材料调研时，提出了9m级超大型铝合金环件需求。

超大型环件传统制造工艺主要以铸造成形和焊接成形为主，但这两种工艺均无法满足承受重载、高冲击、超低温等恶劣工作情况所需的性能要求，必须采用整体制造工艺。但此时9m级整体环件的研发技术在国内依然一片空白，环件从5m级到9m级，技术跨度巨大。为满足国家需求，占领行业制高点，2014年，中铝集团在西南铝成立环件技术研发团队，预研工作正式启动。

要满足环件设计要求，必须突破环件铸锭熔铸、轧制成型、热处理、冷变形等多项关键核心技术难题，所有研制工作都要从头做起。

满足该整体环件对铸锭坯料的要求是研发团队必须啃下的第一块“硬骨头”。2014年，研发团队开始了超大合金铸锭的攻关。短短3个月时间内，研发团队依靠自主创新，研制出配套铸造工具，摸索出关键熔铸技术和铸造工艺，攻克了超大铸锭成型难关，铸造出满足技术标准要求的直径1350mm圆铸锭，为后期研制工作的成功打下了坚实基础。此后半年间，西南铝突破了锻压制坯和轧制成形两大关键技术，成功轧制出尺寸完全满足设计要求的铝合金整体环件，环件表面光滑无缺陷，尺寸完全达标，精度超出预期效果。

2016年8月25日，西南铝成功轧制出重型运载火箭用10m级整体铝合金环件，再次刷新世界整体铝合金环件纪录。这意味着我国深空探测装备硬件能力得到大幅提升，西南铝再一次实现了在超大型整体环件研制技术上的重大突破。

近年来，西南铝已为我国“长征”系列火箭、“神舟”系列飞船、“嫦娥”系列探月卫星、国产大飞机、世界最大口径射电望远镜等国家重大工程提供了大量关键材料，为我国国防建设和航空航天事业发展作出了突出贡献。

10米级铝合金锻环

据了解，10m级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件，是我国重型运载火箭研制能否取得新突破的关键材料，其制造技术是研制工作迫切需要突破的重大难题。

“重型运载火箭箭体结构为超大型薄壁结构，具有几何尺度大、结构刚度低、形状精度高、服役环境苛刻等难点，这就意味着作为关键结构件的整体环件制造过程面临全新的技术挑战。”西南铝总经理、党委副书记黎勇介绍，相对于9m整体铝合金环件，10m级整体铝合金环件要承受的重载、高冲击、超低温更甚，随着直径的加大，研制难度更大。

中国目前在用的各类运载火箭所需的铝合金锻环95%由西南铝提供。西南铝不断刷新航天用铝合金锻环的产品规格、技术性能、国内和国外纪录，为中国航天事业发展提供了可靠的材料保障。

铝合金复合材料器件，在北斗系统成功应用

中国科学院沈阳金属研究所多种相关材料器件在北斗三号全球卫星导航系统中成功应用，金属基复合材料课题组研制的多个成分的系列铝基复合材料 ，成功应用于北斗卫星的光学结构及20余个北斗卫星的电源模块散热载体。与传统铝、钛合金相比，铝基复合材料具有低膨胀、高热导、高弹性模量和良好尺寸稳定性等优点，可更好满足激光系统等对结构件的高精度和高可靠性要求；与钨铜、钼铜散热材料相比， 铝基复合材料的低密度可使电源模块散热载体减重70%以上。上述铝基复合材料对激光通信精度、卫星轻量化设计等发挥了重要作用。

发动机喷出的东西越多，产生推力的速度就越快，但燃料和炸药的爆炸速度已经接近分子间信息传递的理论极限。如果基础物理没有突破，那么为了提高推力，只能拼命往发动机里加更多的燃料。燃油多了，空气就不够燃烧了，只好装“排气扇”。这是发动机的基本原理:压缩更多的空气燃烧更多的燃料。

压缩机压缩高压空气，进入燃烧室，与雾化燃料混合燃烧，然后产生强大的气流喷向尾部涡轮...

航空发动机反复以这种方式运转，涡轮叶片承受巨大的外应力和几十万摄氏度的高温。一旦使用的材料达不到相应的指标，就容易断裂变形，甚至导致机器损坏。

南京理工大学陈光教授团队在国家973计划的支持下，经过长期研究，在航空航天新材料钛铝合金方面取得了突破性进展。相关成果在《自然材料》网上发表。其室温拉伸塑性、屈服强度、高温抗蠕变性、高温承载能力等关键性能指标均处于世界领先地位，比美国同类材料高出1-2个数量级。

高压压缩机是一个“排气风扇”，它与后涡轮集成在一起。风扇先将空气吹入，压缩机高速旋转将空气压缩到燃烧室。燃烧产生的强大气流向外喷射，产生飞机的动力，同时带动后面的涡轮旋转，带动前面的压缩机旋转，继续压缩更多的空气。

晕的同学可以再刷刷眼睛:压缩机旋转的动力来自涡轮，涡轮旋转的动力来自燃料燃烧，燃料燃烧的空气来自压缩机压缩。这个三角恋已经够复杂了。

这是钛铝合金首次用于航空发动机。此前，以钛铝合金为代表的金属间化合物的研究已经持续了30年，但进展缓慢。它最大的两个缺点，一是室温拉伸塑性低，加工困难；二是高温强度不足，使用温度范围有限。

GE使用的4822合金并不完美，室温拉伸塑性小于2%。虽然优于其他金属间化合物，但与镍基合金相比还是太脆。所以GE已经将其应用到环境温度和风险系数最低的末端二级叶片上，这样即使断裂也不会造成整架飞机失控。

当然，美国人这样做不是为了炫耀，而是要注意钛铝合金的密度只有镍基合金的一半。在以克为单位的飞机发动机上，GE将单个发动机的重量减轻了200磅左右，成为当时航空和材料领域轰动性的进步。

铝镁合金

铝镁合金一般主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。因本身就是金属，其导热性能和强度尤为突出。铝镁合金质坚量轻、密度低、散热性较好、抗压性较强，能充分满足3C产品高度集成化、轻薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽和散热的要求。其硬度是传统塑料机壳的数倍，但重量仅为后者的三分之一，通常被用于中高档超薄型或尺寸较小的笔记本的外壳。而且，银白色的镁铝合金外壳可使产品更豪华、美观，而且易于上色，可以通过表面处理工艺变成个性化的粉蓝色和粉红色，为笔记本电脑增色不少，这是工程塑料以及碳纤维所无法比拟的。因而铝镁合金成了便携型笔记本电脑的首选外壳材料，目前大部分厂商的笔记本电脑产品均采用了铝镁合金外壳技术。

缺点：镁铝合金并不是很坚固耐磨，成本较高，比较昂贵，而且成型比ABS困难(需要用冲压或者压铸工艺)，所以笔记本电脑一般只把铝镁合金使用在顶盖上，很少有机型用铝镁合金来制造整个机壳。

钛镁合金

钛镁合金材质的可以说是铝镁合金的加强版，钛镁合金与镁合金除了掺入金属本身的不同外，最大的分别之处，就是还渗入碳纤维材料，无论散热，强度还是表面质感都优于铝镁合金材质，而且加工性能更好，外形比铝镁合金更加的复杂多变。其关键性的突破是强韧性更强、而且变得更薄。就强韧性看，钛镁合金是镁合金的三至四倍。强韧性越高，能承受的压力越大，也越能够支持大尺寸的显示器。因此，钛镁合金机种即使配备15英寸的显示器，也不用在面板四周预留太宽的框架。至于薄度，钛镁合金厚度只有0.5mm，是镁合金的一半，厚度减半可以让笔记本电脑体积更娇小。

缺点：钛镁合金唯一的缺点就是必须通过焊接等复杂的加工程序，才能做出结构复杂的笔记本电脑外壳，这些生产过程衍生出可观成本，因此十分昂贵。目前，钛镁合金及其它钛复合材料依然是IBM专用的材料，这也是IBM笔记本电脑比较贵的原因之一