西安交大《Nature》：2000~2400 ℃超高溫區(qū)承載的塑性合金！

西安交通大學(xué)，

《Nature》發(fā)文！

西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出2000至2400 ℃超高溫區(qū)承載的塑性合金，該研究成果在線發(fā)表于《自然》（Nature），為新一代超高溫合金的開(kāi)發(fā)提供了新思路。

□ 論文標(biāo)題：“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2400 ℃”（在2400 ℃仍具有100 MPa拉伸強(qiáng)度的塑性合金）

□ 作者信息：西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生薛敏濤為論文第一作者，李蘇植教授、丁向東教授、馬恩教授和孫軍院士為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括博士生王靜和李金陽(yáng)。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該論文的唯一作者單位和通訊單位。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、111引智基地等資助。

□ 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10708-z

航空航天領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料在超高溫環(huán)境的承載能力提出了嚴(yán)苛要求，一些關(guān)鍵耐熱部件的工作溫度甚至超過(guò)2000 ℃，遠(yuǎn)高于包括鎳基高溫合金在內(nèi)的多數(shù)金屬材料的熔點(diǎn)。目前僅難熔金屬有望滿足超高溫服役要求，其中，鉭合金因其較高的熔點(diǎn)（~3000 ℃）和綜合性能是屈指可數(shù)的備選材料。但是，已有鉭合金高溫強(qiáng)度不足，難以滿足極端環(huán)境承載要求，如NASA早期開(kāi)發(fā)的商用T-222合金，在1926 ℃下的拉伸強(qiáng)度已不足100 MPa。其根源在于金屬材料普遍面臨著高溫軟化行為，當(dāng)服役溫度達(dá)到材料0.5~0.6 Tm（Tm為絕對(duì)溫度熔點(diǎn)），擴(kuò)散加劇使得材料內(nèi)部的微觀組織發(fā)生顯著演化，室溫下行之有效的強(qiáng)化機(jī)制大大衰減。以上述碳化物強(qiáng)化的T-222鉭合金為例，強(qiáng)化相在熱-力耦合驅(qū)動(dòng)下易發(fā)生粗化；而且，隨著溫度上升，碳在基體中的溶解度大幅提高，部分碳化物顆粒回溶于基體，極大削弱了第二相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度下降。此外，合金不僅僅需要具備較高的超高溫強(qiáng)度，還需在近室溫下具有良好塑性，以滿足復(fù)雜形狀構(gòu)件的加工需求。如何實(shí)現(xiàn)超高溫強(qiáng)度與室溫塑性二者“魚(yú)和熊掌兼得”，是當(dāng)今高溫合金面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一難題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)基于一種特殊的硼干預(yù)的原位氧化反應(yīng)（圖1），有效調(diào)控了第二相的尺寸和分布，設(shè)計(jì)并制備出一種新型的氧化物彌散強(qiáng)化鉭合金（B-ODS鉭合金），兼具有優(yōu)異的室溫拉伸塑性、超高溫拉伸強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。該合金以體心立方結(jié)構(gòu)的Ta-12W-1Re（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為基體，在熔煉過(guò)程中有目的地加入少量HfB2，使其與合金基體中的氧發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)，形成生成焓非常負(fù)的HfO2，并釋放出B原子。B在鉭基體中的擴(kuò)散速率很高，快速擴(kuò)散到晶界并占據(jù)間隙位置，有效阻礙了氧化物顆粒在晶界處形核，促進(jìn)了其在晶粒內(nèi)的均勻析出。同時(shí)，隨著氧化產(chǎn)物HfO2顆粒的形成，B還將快速富集在這些顆粒與基體之間的界面處，減緩氧化物的長(zhǎng)大從而將其尺寸限制在幾十納米尺度。由此，在晶粒內(nèi)高密度、均勻彌散地析出了由B包覆的HfO2第二相（圖2）。

▲ 圖1 硼干預(yù)的原位氧化反應(yīng)示意圖，在鉭合金晶粒內(nèi)引入了高密度、均勻彌散分布的由B原子包覆HfO2的新型納米顆粒。

▲ 圖2 新型B-ODS鉭合金的微觀組織。a，晶粒形貌。b，晶內(nèi)彌散分布的納米顆粒。c，析出相和基體的幾何相位分析，顯示局部應(yīng)變分布。d，不同元素的空間分布，表明Hf、O在納米顆粒內(nèi)富集。e，析出相與基體界面形貌，插圖為析出相的快速傅里葉變換。f，三維原子探針技術(shù)分析析出相-基體界面（圖d中紅色方框區(qū)域）的元素分布。g，界面附近元素含量的定量表征：硼在界面富集。h-j，密度泛函理論計(jì)算硼在幾類典型Ta/HfO2界面的偏聚能。

該B-ODS鉭合金在室溫具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)800 MPa，拉伸延伸率可達(dá)35%，具備良好的加工成形能力。更為突出的是，該合金2000℃和2400 ℃下的拉伸屈服強(qiáng)度分別達(dá)到200 MPa和100 MPa，顯著優(yōu)于已報(bào)道的各類傳統(tǒng)難熔合金及新興的難熔多主元合金（圖3）。例如，該新型鉭合金在2000 ℃超高溫下的拉伸屈服強(qiáng)度相較傳統(tǒng)鉭合金提高了一倍；而在承擔(dān)相同100 MPa載荷時(shí)，新合金的承溫上限比現(xiàn)有鉭合金提升了約500 ℃。此外，蠕變測(cè)試結(jié)果表明該合金比傳統(tǒng)難熔合金具有更為優(yōu)異的長(zhǎng)時(shí)服役潛力。

▲ 圖3 B-ODS 鉭合金在室溫和超高溫下的拉伸性能。a-b，該合金在室溫下具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性組合。c-d，2000-2400 ℃超高溫區(qū)間的拉伸性能，該合金拉伸屈服強(qiáng)度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)難熔合金和新興的難熔多主元合金。

需要強(qiáng)調(diào)的是，該B-ODS鉭合金與傳統(tǒng)碳化物強(qiáng)化鉭合金存在顯著區(qū)別：首先，B干預(yù)的原位氧化反應(yīng)能夠在晶粒內(nèi)部形成均勻彌散的氧化物第二相，有效釘扎位錯(cuò)，提升了合金的拉伸強(qiáng)度（圖4a-h）。其次，該新型氧化物顆粒自身可通過(guò)多種方式發(fā)生塑性變形，有效協(xié)調(diào)了其與基體之間的應(yīng)變匹配，提升了合金塑性（圖4i-l）。再者，包覆氧化物顆粒的B原子能夠阻礙間隙氧原子擴(kuò)散，抑制氧化物高溫粗化，在超高溫下具有較高熱穩(wěn)定性（圖5）。最后，該第二相在基體中具有較低溶解度，能夠抑制高溫下回溶于基體，在超過(guò)2000 ℃下仍能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，保持合金的高溫強(qiáng)度。上述幾點(diǎn)均彌補(bǔ)了傳統(tǒng)碳化物第二相的不足。

▲圖4 B-ODS鉭合金的室溫力學(xué)變形機(jī)制。a-d，不同拉伸應(yīng)變下的微觀組織形貌。e-h，在5%拉伸應(yīng)變下，位錯(cuò)與納米顆粒的相互作用及位錯(cuò)反應(yīng)。i-l，在35%拉伸應(yīng)變下，斷口附近第二相的塑性變形行為，包括層錯(cuò)、孿晶和馬氏體相變。

▲ 圖5 B-ODS鉭合金的超高溫?zé)岱€(wěn)定性。2000 ℃保溫20 min后拉伸失效后樣品的微觀組織表征。a，斷口附近的晶粒形貌。b，動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程中形成的低角度亞晶。c-d，納米顆粒與位錯(cuò)的相互作用。e-f，三維原子探針技術(shù)分析表明B原子仍富集在第二相與基體界面。

本文來(lái)源 / 西安交大材料學(xué)院。

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