近日，大連交通大學(xué)的呂云卓教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南加州大學(xué)的陳文教授團(tuán)隊(duì)、紐約州立大學(xué)陳偉教授團(tuán)隊(duì)，在超高溫結(jié)構(gòu)材料研發(fā)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“High-throughput discovery of ultrahigh-temperature multi-principal element alloys by combinatorial additive manufacturing”為題發(fā)表在《Nature Communications》上，系統(tǒng)報(bào)道了通過(guò)激光增材制造技術(shù)快速篩選W-Re-Os體系多主元合金。所開發(fā)的合金在室溫下展現(xiàn)出約1.8 GPa的超高屈服強(qiáng)度和9%的壓縮塑性，同時(shí)在1400℃高溫下仍能保持約1.4 GPa的屈服強(qiáng)度，并具備顯著的應(yīng)變硬化能力，性能遠(yuǎn)超目前已報(bào)道的其他高溫合金，為航空航天、核能等領(lǐng)域關(guān)鍵部件材料升級(jí)提供新方案，同時(shí)為超高溫合金的高效研發(fā)開辟了全新的途徑。

該論文大連交通大學(xué)王瑋琦和南加州大學(xué)劉健為共同第一作者，大連交通大學(xué)呂云卓教授與南加州大學(xué)陳文教授為通訊作者，研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67301-7

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、核反應(yīng)堆核心部件等極端環(huán)境應(yīng)用中，材料需同時(shí)具備超高強(qiáng)度、抗熱軟化能力與室溫塑性，而現(xiàn)有材料面臨性能“難以兼顧”的困境。傳統(tǒng)鎳基高溫合金在1000℃以上易快速軟化，無(wú)法滿足更高溫度需求；已有的難熔多主元合金雖耐高溫，但大多存在室溫脆性大、熱穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，且傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，難以高效篩選最優(yōu)成分。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用“激光增材制造高通量篩選”技術(shù)，突破傳統(tǒng)材料研發(fā)范式。該技術(shù)通過(guò)獨(dú)立控制鎢（W）、錸（Re）、鋨（Os）三種熔點(diǎn)超3000℃的難熔金屬粉末進(jìn)給速率，在短時(shí)間內(nèi)即可制備包含約500個(gè)不同成分的塊狀合金樣品庫(kù)，覆蓋整個(gè)三元相圖，將候選合金制備效率提升數(shù)百倍。

研究團(tuán)隊(duì)從材料設(shè)計(jì)、制備到表征全鏈條創(chuàng)新，構(gòu)建“高效篩選-精準(zhǔn)調(diào)控-機(jī)制解析”的研發(fā)體系，最終鎖定最優(yōu)成分W42Re30Os28合金，其性能表現(xiàn)遠(yuǎn)超現(xiàn)有高溫合金，具體為：

• 室溫性能優(yōu)異：室溫下屈服強(qiáng)度達(dá)1.83±0.03 GPa，同時(shí)保持9.0±0.5%的壓縮塑性，解決難熔合金“高強(qiáng)度與高塑性難以共存”的痛點(diǎn)；

• 高溫性能穩(wěn)定：在1400℃極端溫度下，仍能維持1.38±0.02 GPa的高屈服強(qiáng)度，并具備顯著的應(yīng)變硬化能力，遠(yuǎn)超鎳基高溫合金及其他難熔多主元合金；

• 微觀結(jié)構(gòu)可控：該合金形成獨(dú)特的雙相亞共晶組織，由六方密堆積（HCP）固溶體與ReW型體心四方（BCT）金屬間化合物構(gòu)成，通過(guò)基底滑移、非基底滑移、形變孿生及異質(zhì)變形誘導(dǎo)幾何必需位錯(cuò)等多重變形機(jī)制，協(xié)同實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑性的平衡。

除此之外，為精準(zhǔn)篩選最優(yōu)成分，團(tuán)隊(duì)還引入“逼近理想解排序法（TOPSIS）”，綜合考量1000℃高溫硬度、硬度保留率及室溫壓痕堆垛高度三大指標(biāo)，從約500個(gè)候選成分中高效鎖定性能最優(yōu)的合金區(qū)域，為多性能目標(biāo)材料篩選提供科學(xué)方法。

所開發(fā)WReOs合金體系的優(yōu)異性能，使其在航空航天、核能等極端環(huán)境領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。例如，在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，可用于制造承受超高溫的渦輪葉片、燃燒室部件，提升發(fā)動(dòng)機(jī)推重比與服役壽命；在核能領(lǐng)域，有望作為核反應(yīng)堆包殼材料或高溫結(jié)構(gòu)件，耐受強(qiáng)輻射與超高溫雙重極端條件。

此外，該研究建立的“增材快速制造+高通量表征+多目標(biāo)篩選”技術(shù)框架，打破傳統(tǒng)難熔合金研發(fā)效率低、成本高的局限，為其他極端環(huán)境材料（如抗腐蝕、抗輻射合金）的快速開發(fā)提供可推廣的范式。

圖1：WReOs 體系的設(shè)計(jì)思路與高通量制備策略

圖2：WReOs合金體系高通量篩選及微觀結(jié)構(gòu)表征

圖3：展示所開發(fā)WReOs合金體系優(yōu)異室溫、高溫性能

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

近期學(xué)術(shù)會(huì)議推薦