浙江
高超聲速飛行器和下一代核反應堆里的熱端部件，服役溫度動不動就超過兩千攝氏度，這個溫度早已超出了鎳基高溫合金的承受范圍，陶瓷和金屬間化合物雖然耐熱卻硬脆得沒法加工，傳統難熔合金在超高溫下又扛不住拉伸載荷。2026年6月25日，西安交通大學孫軍教授、丁向東教授、李蘇植教授和美國約翰霍普金斯大學馬恩教授團隊在《自然》雜志上發表了一篇論文，標題是“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2,400°C”，他們設計出一種加了硼的鉭鎢錸合金，里頭均勻散布著納米級的氧化鉿顆粒，這種材料在兩千四百攝氏度下還能拉出一百兆帕的屈服強度，室溫下延伸率有百分之三十五，既能耐超高溫又能像普通金屬一樣加工成形。
這個團隊在Ta-12W-1Re基體里添加了千分之四質量比的HfB?，合金中本來就存在氧雜質，氧和HfB?碰在一起會發生選擇性氧化反應，原位生成HfO?顆粒。硼在這個過程里干了兩件活，一是硼原子跑得比氧快，搶先占據晶界和各類界面，這樣氧化物就沒法在晶界上聚堆，只能在晶粒內部均勻地形核長大，二是反應釋放出來的硼原子不會跑遠，它們就待在HfO?顆粒和鉭基體的交界面上，形成一層富硼的殼。三維原子探針看得清清楚楚，即便經過一千八百攝氏度的高溫退火，界面那里硼的濃度峰依然明晃晃地立著，第一性原理計算也驗證了硼在界面上的偏聚能比它在基體里或者氧化物內部都要低得多，所以界面就成了硼最喜歡待的地方，氧原子的擴散通道被這層硼殼堵得嚴嚴實實，氧化鉿顆粒想粗化也粗化不動。最終得到的合金里全是直徑大約五十納米、體積分數百分之零點六左右的HfO?顆粒，它們均勻分布在平均晶粒尺寸十四個微米的等軸晶內部，而沒加硼的對照樣品里氧化物顆粒長到了兩三百納米，還全都擠在晶界上。
室溫拉伸做下來，這個合金的屈服強度有七百二十兆帕，抗拉強度八百三十兆帕，延伸率百分之三十五，跟商用Ta-10W合金一比，強度拔高了兩百多兆帕，塑性一點沒掉。用透射電鏡盯著位錯看，位錯碰上顆粒就繞過去，典型的Orowan機制，顆粒周圍攢下一大堆位錯環和位錯墻，還有一個有意思的現象是，大約五分之一的HfO?顆粒在大變形下自己也會跟著變形，有的出層錯，有的出孿晶，甚至還有發生馬氏體相變的，第二相自己能變形，界面上的應力就沒那么集中，裂紋也就不容易冒出來，這跟傳統的碳化物顆粒完全不一樣，那些東西硬邦邦的，位錯切不動，只能硬扛，扛不住就從界面裂開。隨后的高溫拉伸測試是在他們自己搭的電熱力平臺上完成的，樣品在氬氣保護下用電直接加熱，紅外測溫儀盯著樣品中間和兩頭三個點來保證溫度均勻，兩千度、兩千二、兩千四三個溫度點都拉了好幾遍，重復性很好，屈服強度分別穩定在兩百兆帕、一百五十兆帕和一百兆帕上下。進一步團隊拿NASA六十年代開發的T-222和Astar-811C碳化物強化鉭合金來比，那倆在一千九百多度時強度就已經跌到一百兆帕以下了，這幾年很火的HfNbTaTiZr高熵合金，一千二百度時拉伸屈服只有三十兆帕，NbMoTaW更慘，三十六兆帕。這個新合金的工作溫度已經摸到了熔點（大約三千攝氏度）的百分之八十，也就是同源溫度零點八，傳統鎳基單晶高溫合金頂多到零點七就扛不住了，而且他們在兩千四百攝氏度保溫半小時再拉，強度幾乎沒變化。研究團隊認為硼介入的原位氧化策略不光用在鉭上，放到鉬、鎢、鈮這些體系里大概率也能行，下一步他們打算往輕質化方向發展，畢竟超高溫輕質合金才是未來極端環境真正的剛需。
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