摘要：在追求能源高效转换的今天，高温材料的发展至关重要。尽管可再生能源迅速崛起，但航空发动机等高温设备仍依赖化石燃料，其效率提升受限于材料耐受极限。传统镍基超合金在1050-1150°C下易软化，而 refractory 金属合金虽熔点超2000°C，却长期困于高温

在追求能源高效转换的今天，高温材料的发展至关重要。尽管可再生能源迅速崛起，但航空发动机等高温设备仍依赖化石燃料，其效率提升受限于材料耐受极限。传统镍基超合金在1050-1150°C下易软化，而 refractory 金属合金虽熔点超2000°C，却长期困于高温氧化脆化和室温延展性不足的难题。这项发表于《自然》杂志的研究，首次推出了一种单相铬-钼-硅合金（Cr-36.1Mo-3Si, at.%），成功实现了高温抗氧化与室温塑性的完美平衡，为下一代涡轮发动机材料铺平道路。

该合金的核心创新在于简约的成分设计——以铬和钼为基础，添加仅3 at.%的硅，形成单相体心立方（bcc）结构，避免脆性硅化物析出。铬负责形成致密Cr₂O₃氧化层，钼则富集于表层阻挡氮化，而微量硅不仅促进SiO₂界面层生成以增强抗氧化性，还确保了合金的固溶体连续性，从而保留塑性。通过电弧熔炼制备，合金呈现均匀枝晶结构，经 homogenization 处理后晶粒粗化但无二次相，奠定了材料稳定性的基础。

在800°C和1100°C的循环氧化测试中，含硅合金表现卓越：800°C下质量变化微乎其微（±0.07 mg/cm²），1100°C时虽略有蒸发但无样本 disintegration，远胜无硅对照样。氧化层厚度分析显示，Cr-36.1Mo-3Si形成薄而连续的Cr₂O₃ scale，硅的加入将Cr与Mo的氧化比例从2.6提升至5.4，显著优先氧化铬而非钼，遏制了MoO₃挥发灾难。

机械性能方面，合金在室温压缩下展现9-15%塑性应变，强度达1100 MPa，且工作硬化能力突出（dσ/dε > σ），为拉伸延展性奠定基础。即使900°C高温下，强度仍保持70%室温值，凸显其广温域适用性。变形过程中，锯齿状流动曲线揭示了孪生与位错滑移的协同作用。

深入微观分析发现，变形孪生{112}系统在室温与900°C下均活跃，尤其在大晶粒条件下，孪生应力约350-500 MPa，与位错滑移竞争，贡献动态晶界强化和高工作硬化。这种机制不仅补偿了几何软化，还抑制裂纹扩展，但晶界处微裂纹提示未来需优化晶粒尺寸以提升拉伸韧性。

这项研究不仅解决了 refractory 合金的核心瓶颈，更以简易工艺展现出直接应用潜力。未来通过热机械处理或粉末冶金优化晶粒尺寸，可进一步平衡孪生与滑移，提升拉伸性能。这种合金有望替代镍基超合金，用于航空发动机热端部件，推动温度上限至1100°C以上，显著提升能源效率。材料科学的这一小步，或将成为工业革新的一大步。
信源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09516-8

来源：捷报来了