盡管可再生能源在現(xiàn)階段的發(fā)展迅速，但在未來數(shù)十年遠程飛機等應(yīng)用中仍然依賴內(nèi)燃機。為了提升能源轉(zhuǎn)換效率，材料的服役溫度需要提高到1050-1150°C，這就要用固相線溫度超2000°C的難熔金屬基材料替代渦輪高溫區(qū)的單晶鎳基高溫合金。然而現(xiàn)有難熔金屬基材料存在兩大關(guān)鍵問題，一是高溫抗蝕性差，例如Mo合金在500°C以上易粉化、Cr基合金在1000°C以上易出現(xiàn)氧化皮剝落和氮化。二是室溫延展性不足，在此之前改善抗氧化性的方案常導(dǎo)致延展性喪失。因此研發(fā)兼具高溫抗蝕性與室溫延展性的難熔金屬基合金成為關(guān)鍵需求。

近日德國科學(xué)家研究了一種單相Cr-36.1Mo-3Si(at.%)合金，首次滿足了耐火材料在高溫下具有抗腐蝕、氮化和結(jié)垢剝落的性能，最低可達1100°C，以及其在室溫下具有足夠的壓縮延展性。該研究于2025年10月8日被發(fā)表于《Nature》正刊上。

文章鏈接：

https:///10.1038/s41586-025-09516-8

【核心內(nèi)容】

首次研發(fā)出單相Cr-36.1Mo-3Si合金，系統(tǒng)研究其成分設(shè)計、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)、800-1100°C高溫抗氧化性與室溫壓縮延展性及微觀機制，該合金中Si可以促進形成保護性氧化層，其變形依賴于位錯滑移和形變孿生，以解決難熔金屬基材料高溫抗蝕性與室溫延展性難以兼顧的問題，為替代鎳基高溫合金提供候選方案。

【研究方法】

該研究通過電弧熔煉制備了Cr-36.1Mo-3Si合金及對比合金Cr-37.2Mo，對部分合金進行了1600°C/48h的均質(zhì)化處理，采用掃描電鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）、原子探針層析（APT）等表征微觀結(jié)構(gòu)，通過800°C、1100°C的循環(huán)氧化測試評估合金的高溫抗氧化性，并借助室溫至900°C的壓縮測試分析力學(xué)性能，以揭示合金的高溫抗氧化機制與室溫變形機制。

【研究成果】

① 合金微觀結(jié)構(gòu)

Cr-36.1Mo-3Si合金和Cr-37.2Mo合金均為BCC A2結(jié)構(gòu)，無硅化物等第二相，其中Cr-36.1Mo-3Si合金鑄態(tài)和均質(zhì)化態(tài)分別被命名為AC和H。鑄態(tài)Cr-36.1Mo-3Si合金的樹枝晶間距為52±14μm，均質(zhì)化后樹枝晶消失，晶粒粗化大于500μm。

所研究合金微觀組織

通過XRD確定A2晶體結(jié)構(gòu)

② 高溫抗氧化性能

• 800°C循環(huán)氧化100h：

  Cr-36.1Mo-3Si合金的AC態(tài)和H態(tài)比質(zhì)量變化很小，分別為（+0.07±0.04）mg/cm2和（+0.04±0.08）mg/cm2，該狀態(tài)下形成連續(xù)薄Cr?O?氧化層，其中AC態(tài)的Cr?O?氧化層厚1.7±0.3μm，而H態(tài)的厚為3.9±2.4μm。Cr-37.2Mo合金的比質(zhì)量為（-8.1±1.8）mg/cm2，氧化層多孔且厚高達91±24μm。
  

• 1100°C循環(huán)氧化100h：

  Cr-36.1Mo-3Si合金在該條件下無崩解，AC態(tài)比質(zhì)量變化-3到-4mg/cm2，H態(tài)為（+1.1±0.4）mg/cm2，而Cr-37.2Mo合金在短時間內(nèi)崩解。

材料性能評估

③ 力學(xué)性能

Cr-36.1Mo-3Si合金AC態(tài)室溫下σ_1%約1100MPa，900°C時為760MPa。H態(tài)室溫σ_1%為665MPa，900°C時為590MPa。室溫壓縮時，Cr-36.1Mo-3Si合金在AC態(tài)和H態(tài)最大應(yīng)力下塑性應(yīng)變?yōu)?span textstyle=''>9-15%和4-6%，兩種狀態(tài)下均無崩解。

在Cr-36.1Mo-3Si上進行的壓縮測試結(jié)果，應(yīng)變超過了最大應(yīng)力

④關(guān)鍵機制

• 抗氧化機制：Si促使形成“連續(xù)Cr?O?氧化層+Mo富集亞表層+界面SiO?”體系，且無需高體積分數(shù)硅化物即可實現(xiàn)抗蝕性。

• 變形機制：依賴位錯滑移與{112}<111 >型形變孿生協(xié)同，AC態(tài)細晶以滑移為主，強度對溫度敏感，H態(tài)粗晶以孿生為主，室溫至700°C保持強度。

Cr-36.1Mo-3Si在100小時循環(huán)氧化后的氧化物層微觀形貌

Cr-37.2Mo AC在800°C氧化100小時后的氧化物層和近表面區(qū)域

氧化層厚度隨氧化時間的變化

在壓縮至約6%塑性應(yīng)變時，由Cr-36.1Mo-3Si AC和H的機械測試引起的微觀結(jié)構(gòu)變化

在900°C下進行壓縮測試，使用SEM-EBSD分析至約6%塑性應(yīng)變后的孿晶

【總結(jié)與展望】

該研究首次研發(fā)出單相Cr-36.1Mo-3Si合金，同時滿足了難熔金屬基材料的兩大關(guān)鍵需求：一是在至少1100°C的高溫下具備抗粉化、抗氮化和氧化皮抗剝落性能，800°C循環(huán)氧化100小時質(zhì)量變化極小，1100°C氧化后無崩解，二是室溫下有足夠壓縮延展性，為高溫能源轉(zhuǎn)換設(shè)備中替代鎳基高溫合金提供新方案。