科學家鍛造出難以熔化的“超級合金”

來源：中國科學報

記者：張晴丹

高溫金屬對驅動飛機發動機、燃氣輪機、X射線系統及其他先進技術至關重要。其中最耐熱的當屬難熔金屬，如鎢、鉬和鉻，它們的熔點均在2000攝氏度（約華氏3600度）左右或更高。盡管具有卓越的耐熱性，這些金屬仍存在重大缺陷：在常溫下質地脆硬，暴露于氧氣中會迅速氧化，導致在600至700攝氏度（約華氏1100至1300度）時就會失效。正因如此，它們只能用于特殊真空環境。

“現有超級合金由多種金屬元素構成，包括一些稀有元素，從而兼具多種特性。它們在室溫下具有延展性，在高溫下保持穩定，并具備抗氧化能力。但問題在于其安全使用溫度上限最高僅為1100攝氏度。這個溫度對于充分發揮渦輪機或其他高溫應用的效率潛力而言實在太低。事實上，燃燒過程的效率是隨溫度提升而增加的。”德國卡爾斯魯厄理工學院教授Martin Heilmaier解釋道。

認識到這一性能局限，Heilmaier團隊開始尋求新解決方案，并開發出由鉻、鉬和硅組成的新型合金。這種難熔金屬基材料展現出前所未有的特性。日前，相關研究發表于《自然》。

新研究成功研制出突破性合金，該合金結合鉻、鉬和硅元素，性能有望超越當前渦輪機和噴氣發動機中使用的鎳基合金。圖片來源：Shutterstock

“該合金在室溫下具備延展性，熔點高達約2000攝氏度，且與已知難熔合金不同，即使在臨界溫度區間也僅緩慢氧化。這為實現部件適用溫度顯著超越1100攝氏度的愿景奠定了基礎。因此，我們的研究成果有可能引發真正的技術飛躍。”德國波鴻魯爾大學的Alexander Kauffmann博士表示。

這一成就尤為難得，因為盡管計算機輔助材料開發已取得長足進步，但抗氧化性和延展性仍無法被充分預測以實現靶向材料設計。

“在渦輪機中，僅100攝氏度的溫升就能降低約5%的燃料消耗。”Heilmaier解釋道。“這對航空業尤為重要，因為未來數十年內電力驅動的飛機仍難以適用于長途飛行。因此，顯著降低燃料消耗將成為關鍵議題。發電廠的固定式燃氣輪機也可憑借更堅固的材料實現更低二氧化碳排放。要將該合金投入工業應用，仍需完成諸多開發步驟。但通過這項基礎研究的發現，我們已抵達重要里程碑。全球研究團隊現可基于此項成果繼續推進。”