随着特高压输电工程、新能源、低空经济等国家战略领域的跨越式发展，高端装备对铝合金材料提出了“轻量化-高强度-长寿命” 三位一体的极限性能要求。然而，受限于传统熔锻工艺，现有商用铝合金的力学性能已难以满足重大装备的性能升级需求，成为制约我国高端装备自主可控发展的关键技术瓶颈。
针对上述行业痛点，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室金属与陶瓷摩擦学课题组联合烟台先进材料与绿色制造山东实验室提出“高活性粉末瞬态烧结”创新制备方法，基于粉末冶金-塑性成形协同工艺设计（粉末锻造/挤压/轧制复合加工技术），成功构筑了具备优异高温稳定性的铝合金多层级耐热组织，创新实现了高密度层错-富氧增强相的纳米级微观缺陷结构强化设计，开发出拥有自主知识产权、具备工业规模化应用价值的高性能缺陷结构增强铝合金。该系列材料可适配高温、高应力极端服役环境，为高性能金属材料的设计研发提供了全新的技术途径。
研究人员将该技术路线系统性拓展至航空航天领域核心的2000系、7000系高强铝合金体系，实现了多系列铝合金的性能大幅提升。针对7000系（Al-Zn-Mg-Cu）铝合金，研究团队通过工艺优化设计，制备出氧化物弥散强化7000系铝合金，其综合力学性能大幅超越传统铸造工艺制备的商用7075铝合金。而在2000系（Al-Cu-Mg）铝合金研发中，研究团队突破了该体系铝合金对人工时效处理的强依赖，制备材料无需人工时效处理，即可达到商用2000系高强铝合金的力学性能水平。该工艺通过在铝合金基体中原位构建多尺度协同的微观结构，实现了超细晶、高密度位错、纳米增强相与稳定堆垛层错的一体化调控，可广泛应用于多系列铝合金体系。相关研究成果分别发表在Rare Metals(2025,45,e70030)和Journal of Alloys and Compounds (2025,1034,181373)上。
图1.多尺度缺陷-结构的微观结构构建示意图
同时，针对陶瓷增强铝基复合材料长期存在的两相之间界面结合力弱、脆性界面反应产物制约性能提升的技术难题，研究团队提出“原位非晶氧化铝界面改性”研究思路，通过两级高能球磨-快速锻造烧结集成工艺，创新性地利用球磨过程引入的微量氧气，原位生成厚度9-45nm的非晶氧化铝界面层，其短程有序结构显著改善了SiC/Al非共格界面的原子匹配度，大幅提升界面结合强度，同时有效抑制了脆性Al4C3相的生成，并借助细晶强化、位错强化与非晶界面协同作用实现材料强度的显著提升。相关研究成果发表在Composites Communications (2025,53, 102201)上。
图2.非晶氧化铝界面改性的SiC颗粒增强铝基复合材料
近期，在上述研究基础上，研究人员通过多尺度缺陷-结构耦合策略，基于粉末冶金-塑性成形协同工艺开发出含高密度层错和富氧纳米区的高性能铝材，解决了传统高强铝合金高温结构稳定性差和力学性能不足的行业难题。实验数据显示，仅以纯铝粉为原材料制备的缺陷结构增强铝材，室温抗拉强度达415-553 MPa，延伸率保持7-14%，打破了传统粉末锻造铝材强度超400MPa后延伸率不足4%的技术壁垒，在623-723K高温环境下，材料强度仍可保持101-163MPa，并且在723K高温长期暴露1200小时后，材料的组织结构与力学性能仍保持稳定，其优异性能主要源于高密度堆垛层错与富氧纳米区的协同强化，为极端环境用高性能金属材料设计提供了新路径。相关研究成果发表在国际高水平期刊Acta Materialia (2026,309,122057)上。
图3.多尺度缺陷-结构耦合策略设计高强耐热铝材
烟台先进材料与绿色制造山东实验室姬朋飞博士、兰州化物所汤华国研究员为论文共同第一作者，兰州化物所乔竹辉研究员为通讯作者，兰州化物所为第一完成单位。
上述研究工作得到了国家自然科学基金、山东省重点研发计划、山东省重大科技创新工程、山东省自然科学基金的支持。
