北京
即使在可再生能源迅速發展的情況下，提高化石或合成燃料的能源轉換效率仍然是一項挑戰。例如，在未來十年中，仍將需要遠程飛機的內燃機。提高其工作溫度（1050–1150℃）是一種選擇。這就需要用耐火材料取代汽輪機最熱部分的單晶鎳基高溫合金，耐火材料的固相線溫度高于2000?°C。
針對這一挑戰，來自德國波鴻魯爾大學等單位的研究人員在《Nature》發表了題為“A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation”的最新成果，顯著提高了材料在高達1,100°C的高溫下對災難性氧化、氮化及氧化層剝落的抵抗能力。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09516-8
本文介紹了一種單相Cr-36.1Mo-3Si（at.%）合金，該合金首次滿足耐火元件基材料的最重要關鍵要求：在高溫下具有抗粘砂、氮化和氧化皮剝落的相關性能，最低可達1100?°C；室溫下具有足夠的壓縮延展性。
雖然這種合金的強度和抗蠕變性能在某些情況下已經優于鎳基高溫合金，但抗氧化/耐腐蝕性（必須承受燃燒氣氛）和延性/韌性（損傷容限和裝置設置所需）仍然對基于耐火元素的候選材料的開發或應用構成障礙。以往任何成功解決氧化過程中Mo的災難性氧化和Cr的氮化的嘗試都會在環境溫度下失去延展性。
圖1 難熔合金的顯微組織。
圖2 材料性能的宏觀評價。
圖3 Cr-36.1Mo-3Si經100 h循環氧化后，氧化層的微觀形貌。
圖4 Cr-36.1Mo-3Si AC和H在壓縮至約6%塑性應變時，力學測試引起的顯微組織變化。
總的來說，本文的研究揭示了在高溫能源轉換材料領域，單相Cr–Mo–Si固溶體能夠實現性能平衡的關鍵途徑。實驗首次通過精確控制Cr/Mo比例及Si固溶含量，合成出既具備高溫下抗氧化、抗氮化和抗氧化層剝落能力，又能在室溫下保持足夠延展性的耐高溫元素基合金。這表明，通過調控固溶體成分和微觀結構，可在傳統鎳基超高溫合金無法兼顧的氧化抗性與延展性之間實現突破。
本文來自“材料科學與工程”公眾號。
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