來源：中國科學(xué)報(bào)

記者：張晴丹

高溫金屬對驅(qū)動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、X射線系統(tǒng)及其他先進(jìn)技術(shù)至關(guān)重要。其中最耐熱的當(dāng)屬難熔金屬，如鎢、鉬和鉻，它們的熔點(diǎn)均在2000攝氏度（約華氏3600度）左右或更高。盡管具有卓越的耐熱性，這些金屬仍存在重大缺陷：在常溫下質(zhì)地脆硬，暴露于氧氣中會(huì)迅速氧化，導(dǎo)致在600至700攝氏度（約華氏1100至1300度）時(shí)就會(huì)失效。正因如此，它們只能用于特殊真空環(huán)境。

“現(xiàn)有超級合金由多種金屬元素構(gòu)成，包括一些稀有元素，從而兼具多種特性。它們在室溫下具有延展性，在高溫下保持穩(wěn)定，并具備抗氧化能力。但問題在于其安全使用溫度上限最高僅為1100攝氏度。這個(gè)溫度對于充分發(fā)揮渦輪機(jī)或其他高溫應(yīng)用的效率潛力而言實(shí)在太低。事實(shí)上，燃燒過程的效率是隨溫度提升而增加的。”德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院教授Martin Heilmaier解釋道。

認(rèn)識(shí)到這一性能局限，Heilmaier團(tuán)隊(duì)開始尋求新解決方案，并開發(fā)出由鉻、鉬和硅組成的新型合金。這種難熔金屬基材料展現(xiàn)出前所未有的特性。日前，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。

新研究成功研制出突破性合金，該合金結(jié)合鉻、鉬和硅元素，性能有望超越當(dāng)前渦輪機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鎳基合金。圖片來源：Shutterstock

“該合金在室溫下具備延展性，熔點(diǎn)高達(dá)約2000攝氏度，且與已知難熔合金不同，即使在臨界溫度區(qū)間也僅緩慢氧化。這為實(shí)現(xiàn)部件適用溫度顯著超越1100攝氏度的愿景奠定了基礎(chǔ)。因此，我們的研究成果有可能引發(fā)真正的技術(shù)飛躍?！钡聡欞敔柎髮W(xué)的Alexander Kauffmann博士表示。

這一成就尤為難得，因?yàn)楸M管計(jì)算機(jī)輔助材料開發(fā)已取得長足進(jìn)步，但抗氧化性和延展性仍無法被充分預(yù)測以實(shí)現(xiàn)靶向材料設(shè)計(jì)。

“在渦輪機(jī)中，僅100攝氏度的溫升就能降低約5%的燃料消耗?！盚eilmaier解釋道?！斑@對航空業(yè)尤為重要，因?yàn)槲磥頂?shù)十年內(nèi)電力驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)仍難以適用于長途飛行。因此，顯著降低燃料消耗將成為關(guān)鍵議題。發(fā)電廠的固定式燃?xì)廨啓C(jī)也可憑借更堅(jiān)固的材料實(shí)現(xiàn)更低二氧化碳排放。要將該合金投入工業(yè)應(yīng)用，仍需完成諸多開發(fā)步驟。但通過這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)，我們已抵達(dá)重要里程碑。全球研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)可基于此項(xiàng)成果繼續(xù)推進(jìn)。”