随着现代航空航天、轨道交通、国防军事等领域不断追求轻量化和高温、高载荷条件下运行的可靠性和寿命,对其动态结构中变形铝合金关键部件的高温性能,尤其是高温蠕变性能要求越来越高。然而,现有的6000系铝合金在温度超过473 K时,其力学性能要损失50%以上,且高温蠕变性能差。近年来,高性能纳米相增强铝基复合材料倍受学术界和工业界的青睐,尤其是原位纳米颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量,耐高温、抗蠕变等特点,是一种具有广阔应用前景的轻质高强新材料。本论文研究原位合成纳米颗粒与稀土微合金化耦合强化技术,设计制备了原位纳米Zr B2颗粒与Er、Zr耦合强化的AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr铝基复合材料,研究原位纳米颗粒与稀土耦合作用对复合材料微结构及热挤压组织演变的影响规律,研究复合材料的力学性能和高温抗蠕变性能,揭示其耦合强韧化机制和抗蠕变机制,为高性能原位纳米颗粒与稀土耦合强化铝基复合材料在航空航天等高技术领域应用提供新的材料和理论支撑。主要研究内容和结果如下:复合材料设计及微结构研究表明:AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料同时拥有两种不同类型的强化相。其一为原位纳米Zr B2颗粒,平均尺寸约为90 nm,呈四边形或六边形规则几何形貌,与基体结合牢固,属于半共格界面关系。其二为含Er纳米析出相,引入Er、Zr后,热处理过程中可形成具有“内核-外壳”结构的纳米级Al3（Er,Zr）析出相,与α-Al之间保持完全共格的强界面结合关系,同时拥有较低扩散系数的富Zr外层保证析出相具备更强的抗粗化能力,在高温变形过程中可以更为有效地对基体合金进行强化。另外,Er、Zr的引入还使得基体晶界上粗大脆性相的形貌得到改善,由原先的粗大条带状转变为较小粒子断续状。原位纳米Zr B2颗粒与Er、Zr的耦合作用极为突出,一方面稀土Er在Zr B2颗粒的表面形成了一层厚度约2 nm的富Er层,显著改善了陶瓷颗粒与Al基体之间的界面润湿性,使得Zr B2颗粒在熔体凝固过程中得以顺利被凝固界面捕捉并弥散分布。另一方面Zr B2颗粒的表面应变场促进了Al3Er、Al3（Er,Zr）析出相的析出,增大了纳米析出相的数量。此外,在原位纳米颗粒及稀土的耦合作用下,AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料的平均晶粒尺寸细化至36μm,获得最显著的晶粒细化效果。复合材料热挤压组织演变研究表明:颗粒团簇与Al Fe Si、Al（Er,Zr）Si等晶界条带状析出相在热挤压过程中被剧烈破碎,由Zr B2颗粒和含Er析出相共同组成的第二相粒子沿挤压方向呈流线型特征弥散分布。经热挤压后的复合材料微观组织更加致密,疏松、缩孔等铸造缺陷得到有效去除。EBSD测试结果显示,复合材料挤压材内分布有大量细小的再结晶晶粒,且一定范围内,再结晶程度随强化相含量的升高而不断加深,AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料经28:1挤压比挤压加工后的平均晶粒尺寸仅为1.73μm,再结晶程度非常高。在变形过程中,第二相粒子一方面通过阻碍位错运动,导致局部区域位错密度迅速攀升,很大程度上促进了DRX（Dynamic Recrystallization）;另一方面分布于晶界处的第二相粒子会对晶界产生钉扎效应,阻碍了大角度晶界的迁移,从而对DRX产生抑制作用。因此,复合材料中第二相粒子对DRX同时具有促进和抑制的双重作用。复合材料拉伸性能研究表明:AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料挤压前的室温屈服强度、抗拉强度及断后伸长率分别达到了296.3 MPa、332.9 MPa和14.3%,高温（573 K）屈服强度、抗拉强度及伸长率分别达到了84.8 MPa、93.7 MPa和27.4%。热挤压后,AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料挤压材的室温屈服强度、抗拉强度及伸长率分别为372.8 MPa、420.5 MPa和30.6%,高温（573 K）屈服强度、抗拉强度及伸长率分别为135.3 MPa、156.7 MPa和46.7%。原位纳米Zr B2颗粒与Er、Zr的耦合强化对复合材料室温及高温拉伸性能的提升效果要高于Zr B2颗粒或Er、Zr单独强化的效果,证实了这两种强化相的耦合作用对基体性能提升的优越性。复合材料高温蠕变性能研究表明:原位纳米Zr B2颗粒与Er、Zr耦合作用对复合材料抗蠕变性能的提升效果总是高于纳米颗粒或稀土单独强化的效果。例如当温度为573 K、外加应力为90 MPa时,AA6111基体合金、AA6111-3Zr B2复合材料、AA6111-0.3Er-0.1Zr合金和AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料的稳态蠕变速率分别为8.68×10-3 s-1、2.53×10-4 s-1、4.98×10-4 s-1和8.33×10-5 s-1,稳态蠕变速率越小,抗蠕变性能越高,表明AA6111-3Zr B2-0.3Er-0.1Zr复合材料拥有最出色的抗蠕变性能。复合材料强韧化和抗蠕变机制研究表明:复合材料室温力学性能的提升主要源于纳米Zr B2颗粒引起的细晶强化、Orowan强化及CTE强化效应,含Er析出相则主要通过细晶强化及沉淀强化的方式实现材料性能的提升,而这两种不同类型强化相的耦合作用更能将以上强化机制的效果进一步放大。复合材料高温力学性能的提升主要归功于陶瓷颗粒Zr B2及“内核-外壳”结构Al3（Er,Zr）析出相出色的高温热稳定性,在高温环境下它们依然能够有效阻碍位错运动、钉扎晶界,从而保证材料的高温性能得到有效提升。抗蠕变机制分析表明,复合材料抗蠕变性能的提升主要源于两个方面:第一,由Zr B2颗粒和Al3Er、Al3（Er,Zr）析出相组成的第二相粒子阻碍位错运动,造成位错塞积,增大了变形抗力;第二,第二相粒子钉扎晶界,抑制了晶界的迁移或旋转,维持了高温下晶粒的稳定性。这两种强化相耦合能够产生最高抗蠕变性能的原因在于复合材料内同时含有Zr B2颗粒和Al3Er、Al3（Er,Zr）析出相,强化相的整体数量是最多的,故而在蠕变过程中位错阻碍和晶界钉扎效应也最显著。此外,Zr B2颗粒和拥有特殊“内核-外壳”结构的Al3（Er,Zr）析出相均是出色的高温热稳定相,对复合材料抗蠕变性能的提升具有极为重要的意义。