西安交通大学在《自然》发文：研制出2000至2400℃超高温区承载的塑性合金

西安交通大学金属材料强度全国重点实验室成功研制出一种可在2000至2400摄氏度超高温区间承载的塑性合金，相关研究成果已在线发表于国际顶级期刊《自然》（Nature），为新一代超高温合金的开发提供了全新思路。

论文题为“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2400 ℃”，即“在2400℃仍具有100兆帕拉伸强度的塑性合金”。西安交通大学材料学院博士生薛敏涛为第一作者，李苏植教授、丁向东教授、马恩教授和孙军院士为共同通讯作者，博士生王静和李金阳参与研究。该实验室是论文的唯一作者单位和通讯单位。研究得到了国家自然科学基金、111引智基地等项目资助。

航空航天领域对金属结构材料在超高温环境下的承载能力提出了极高要求，部分关键热端部件工作温度超过2000摄氏度，远高于多数金属材料的熔点。目前仅有难熔金属有望满足超高温服役条件，其中钽合金因其高熔点（约3000摄氏度）和综合性能成为少数候选材料之一。然而，现有钽合金高温强度不足，难以满足极端环境需求，例如美国国家航空航天局早期开发的商用T-222合金在1926摄氏度下拉伸强度已低于100兆帕。根本原因在于金属材料普遍存在高温软化行为，当温度达到材料熔点（绝对温度）的0.5至0.6倍时，扩散加剧导致微观组织显著演化，室温下的强化机制大幅衰减。以碳化物强化的T-222钽合金为例，强化相在热力耦合作用下易粗化，且温度升高后碳在基体中溶解度增大，部分碳化物颗粒回溶，削弱了第二相对位错的钉扎作用，导致高温强度下降。此外，合金还需在近室温下具备良好塑性，以满足复杂形状构件加工需求。实现超高温强度与室温塑性的兼顾，是当前高温合金领域的重大挑战。

针对这一难题，研究团队基于一种特殊的硼干预原位氧化反应，有效调控第二相的尺寸和分布，设计并制备出新型氧化物弥散强化钽合金（B-ODS钽合金），兼具优异的室温拉伸塑性、超高温拉伸强度和热稳定性。该合金以体心立方结构的Ta-12W-1Re（质量分数）为基体，在熔炼过程中加入少量HfB2，使其与基体中的氧发生选择性氧化反应，生成生成焓极低的HfO2，并释放出硼原子。硼在钽基体中扩散速率高，快速扩散至晶界并占据间隙位置，有效阻碍氧化物颗粒在晶界处形核，促进其在晶粒内均匀析出。同时，随着HfO2颗粒形成，硼快速富集于颗粒与基体界面，减缓氧化物长大，将其尺寸限制在几十纳米尺度。最终在晶粒内形成高密度、均匀弥散的硼包覆HfO2第二相。

该B-ODS钽合金在室温下表现出优异强塑性，抗拉强度超过800兆帕，拉伸延伸率达35%，具备良好加工成形能力。更突出的是，合金在2000摄氏度和2400摄氏度下的拉伸屈服强度分别达到200兆帕和100兆帕，显著优于已报道的传统难熔合金及新兴难熔多主元合金。例如，新型钽合金在2000摄氏度超高温下的拉伸屈服强度较传统钽合金提高一倍；在承担相同100兆帕载荷时，承温上限比现有钽合金提升约500摄氏度。蠕变测试表明，该合金比传统难熔合金具有更优的长时服役潜力。

与传统碳化物强化钽合金相比，该B-ODS钽合金具有显著区别：首先，硼干预的原位氧化反应可在晶粒内部形成均匀弥散的氧化物第二相，有效钉扎位错，提升拉伸强度。其次，新型氧化物颗粒可通过多种方式发生塑性变形，协调与基体间的应变匹配，提升合金塑性。再者，包覆氧化物颗粒的硼原子能阻碍间隙氧原子扩散，抑制氧化物高温粗化，在超高温下保持较高热稳定性。最后，该第二相在基体中溶解度较低，可抑制高温下回溶，在超过2000摄氏度时仍能有效阻碍位错运动，保持高温强度。这些特性弥补了传统碳化物第二相的不足。