日前，西安交通大学李苏植教授、丁向东教授、马恩教授、孙军院士等人在Nature上发文，在铸造合金范围获得突破，成功达成了超高温强度与室温高延性的兼顾。有关研究成就以“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2,400°C”为题发表在Nature上。
日前，西安交通大学李苏植教授、丁向东教授、马恩教授、孙军院士等人在Nature上发文，在铸造合金范围获得突破，成功达成了超高温强度与室温高延性的兼顾。有关研究成就以“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2,400°C”为题发表在Nature上。
01 研究背景
在超越2000 °C的极端环境下，高超声速飞行器和新一代核反应堆对材料提出了严苛的需要：既需要极高的强度以承受热机械载荷，又需要室温下的高延展性以便于加工成复杂形状。传统的镍基高温合金在0.6倍熔点(Tm)以上会因微观结构演化致使强度大幅降低，而陶瓷和金属间化合物虽然耐热但室温脆性大，限制了其作为结构材料的应用，因此开发能在2000|2400 °C温区承载的韧性合金至关要紧。
现在，高温韧性合金的应用主要存在以下问题：
1.金属合金在超高温温区的承载能力空白
传统难熔合金在2000 °C以上会发生紧急的微观结构软化或粗化，致使拉伸屈服强度几乎消失，现在尚无能在2000|2400 °C范围内保持结构完整性的理想负载金属合金。
2.室温加工塑性与高温机械强度的矛盾权衡
通过添加第二相强化虽然能提高高温强度，但总是引发紧急的室温脆性。除此之外，传统强化相(如碳化物)在超高温下易发生奥斯特瓦尔德熟化或溶解，致使强化成效飞速失效。
02 研究成就
鉴于此，研究团队展示了在铸造合金方面的突破，同时达成了超高温下的高强度和室温下的可加工性。一种硼稳定的二氧化铪(HfO2)强化的钽(Ta)基合金借助新型硼干涉原位氧化反应制备，在晶粒内部产生直径约50纳米、分布均匀且致密的氧化物颗粒。这种新合金填补了超高温拉伸屈服强度的空白，在2,000 °C时约为200 MPa，在2,400 °C时为100 MPa，同时在室温下具备优秀的强塑性平衡(极限拉伸强度800 MPa，断裂伸长率约35%)，这一性能组合超越了之前所有些难熔(包含多主元)合金。除此之外，氧化物纳米颗粒周围的硼偏聚赋予了其在2,000–2,400 °C下优秀的抗粗化热稳定性。该方案超越了传统的氧化物弥散强化，达成了可以应用于极端温度下承载的高延展性难熔合金。
技术优势：
1.初次提出了硼干涉原位氧化制备超稳纳米弥散相方案
通过引入微量HfB2，借助B原子扩散快及偏聚特质，在晶内生成均匀弥散的50 nm HfO2颗粒，B原子的偏聚有效抑制了晶界氧化物形成并锁定了颗粒尺寸。
2.填补了金属合金在2400 °C极端温区的性能空白
该合金在2400 °C时仍维持100 MPa拉伸强度，同系温度达0.8 Tm，且兼具35%的室温伸长率，解决了超高温材料没办法兼顾强度与加工韧性的长久难点。
03 研究内容
1.微观结构
该B|ODS Ta基合金(Ta|12W|1Re|0.4HfB2)表现出均匀的等轴晶组织，平均晶粒尺寸由基体的49 μm显著细化至14 μm，且没有明显择优取向。微观表征显示，晶粒内部高密度且均匀地弥散分布着平均直径约为50 nm 的二氧化铪(HfO2)颗粒，其体积分数约为0.6%。相比之下，不含硼的对照组合金中，HfO2颗粒会粗化至200|300 nm并主要聚集在晶界处，证明了硼在优化颗粒尺寸和空间分布上的重点用途。三维原子探针(3D|APT)剖析进一步揭示，B 原子在 HfO2颗粒与Ta基体的界面处形成了一个显著的偏聚峰，构建了“富B包裹层”，同时在晶界处也有B偏聚并随着氧浓度的减少。DFT计算证实，B原子在界面处的间隙位点具备更负的偏聚能，在热力学上倾向于富集在界面，这种微观构造不只提供了强大的弥散强化成效，还通过界面B层妨碍了氧原子的扩散，从而赋予了纳米颗粒在极端高温下卓越的结构稳定性。
图1.B稳定HfO2弥散强化Ta|12W|1Re耐火合金的显微组织
2.拉伸性能
室温下，该B|ODS Ta基合金展示出极为罕见的强塑性平衡：屈服强度约为720 MPa，极限拉伸强度(UTS)超越800 MPa，且断裂伸长率高达35%。这一性能远超此前报道的所有常规难熔合金及难熔高熵合金(MPEAs)，且因其好的延展性，铸锭可以在中等温度下直接轧制成2 mm厚的薄板而无裂纹。更具里程碑意义的是其在超高温下的表现：在2000 °C时，拉伸屈服强度仍高达200 MPa;在2400 °C的极端温区，其强度依旧保持在100 MPa。这一数值是传统碳化物强化难熔合金(如T|222)在同温下的两倍以上，甚至在2400 °C时的强度能与T|222在低500 °C时的性能相媲美。通过与多种材料的对比可见，该合金有效填补了金属材料在2000|2400 °C的“负载盲区”，其工作的同系温度(T/Tm)达到了惊人的0.8，突破了传统合金在0.4|0.6 Tm强度即发生骤降的理论限制。
图2.B|ODS Ta|12W|1Re合金的室温和高温拉伸性能
3.变形机制
研究深入分析了该合金在不同温度下的塑性演变机理。在室温变形初期，塑性流变主要由螺旋位错携带，弥散分布的HfO2纳米颗粒通过Orowan强化机制强力钉扎并妨碍位错滑移，使原本平直的位错线变得弯曲并引发显著硬化。伴随应变增加(如35% 伸长率)，位错在颗粒界面处很多堆积，诱导产生极高的局部应力。不同于传统不可剪切的硬脆强化相，研究发现本材料中的HfO2纳米颗粒可以发生塑性变形，包含产生层错、形变孪晶与马氏体相变。这种第二相的变形协调能力有效缓解了界面处的应力集中，预防了界面早期开裂，从而显著提高了合金的宏观断裂伸长率。在2000 °C的超高温拉伸过程中，虽然发生了位错的动态回复并形成了亚晶界，但纳米颗粒依旧能有效捕获并存储位错，保持了材料的承载能力。这种结合了Orowan钉扎与颗粒协同变形的复合机制，是该合金达成高强高韧的重点。
图3.合金在室温下的变形机制
4.纳米粒子的热稳定性
纳米颗粒在极端高温下的抗粗化能力是保持强度的核心。实验表明，经过2000 °C拉伸测试后，合金的晶粒尺寸和氧化物颗粒尺寸几乎没变化，平均直径仍维持在约50 nm。
3D|APT结果证实，即便在2000 °C高温下，B原子在 HfO2/基体界面的偏聚峰依旧完好保留。B的存在显著减少了氧原子的间隙传输速率，从而在动力学上锁定了颗粒尺寸，预防了超高温下容易见到的奥斯特瓦尔德熟化。性能对比进一步支撑了这一结论：在2400 °C下保温30分钟后，B|ODS合金的屈服强度基本维持不变，而缺失硼的对照组合金在2000 °C下仅保温10分钟强度便出现大幅跳水。这种由硼原子介导的界面锁定效应，确保了强化相在接近熔点的温度下依旧能有效妨碍位错运动，致使该合金成为现在唯一能在2400 °C持续负载的韧性金属材料。
图4.B稳定的HfO2纳米颗粒在高温下具备优秀的热稳定性
04 结论与展望
这项研究通过巧妙的“硼干涉原位氧化”设计方案，成功开发出一种在2400 °C下仍具100 MPa拉伸强度的超高性能钽基合金。该成就解决了难熔合金在极端温区强度丧失与室温脆性的世纪难点，揭示了由界面硼偏聚带来的超高热稳定性和颗粒塑性变形介导的韧化新机制。这一突破不只为高超声速飞行器等极端工况下的结构部件提供了核心材料支撑，也为设计下一代超高温、长寿命韧性难熔合金提供了普适性的分子工程范式。
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