西安交通大学金属材料强度全国重点实验室研制出2000至2400 ℃超高温区承载的塑性合金，该研究成果在线发表于《自然》（Nature），为新一代超高温合金的开发提供了新思路。
论文标题为“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2400 ℃”（在2400 ℃仍具有100 MPa拉伸强度的塑性合金）。西安交通大学材料学院博士生薛敏涛为论文第一作者，李苏植教授、丁向东教授、马恩教授和孙军院士为论文共同通讯作者，参与该工作的还包括博士生王静和李金阳。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室是该论文的唯一作者单位和通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、111引智基地等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10708-z
航空航天领域的发展对金属结构材料在超高温环境的承载能力提出了严苛要求，一些关键耐热部件的工作温度甚至超过2000 ℃，远高于包括镍基高温合金在内的多数金属材料的熔点。目前仅难熔金属有望满足超高温服役要求，其中，钽合金因其较高的熔点（~3000 ℃）和综合性能是屈指可数的备选材料。但是，已有钽合金高温强度不足，难以满足极端环境承载要求，如NASA早期开发的商用T-222合金，在1926 ℃下的拉伸强度已不足100 MPa。其根源在于金属材料普遍面临着高温软化行为，当服役温度达到材料0.5~0.6 Tm（Tm为绝对温度熔点），扩散加剧使得材料内部的微观组织发生显著演化，室温下行之有效的强化机制大大衰减。以上述碳化物强化的T-222钽合金为例，强化相在热-力耦合驱动下易发生粗化；而且，随着温度上升，碳在基体中的溶解度大幅提高，部分碳化物颗粒回溶于基体，极大削弱了第二相对位错的钉扎作用，导致高温强度下降。此外，合金不仅仅需要具备较高的超高温强度，还需在近室温下具有良好塑性，以满足复杂形状构件的加工需求。如何实现超高温强度与室温塑性二者“鱼和熊掌兼得”，是当今高温合金面临的巨大挑战。
针对这一难题，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室研究团队基于一种特殊的硼干预的原位氧化反应（图1），有效调控了第二相的尺寸和分布，设计并制备出一种新型的氧化物弥散强化钽合金（B-ODS钽合金），兼具有优异的室温拉伸塑性、超高温拉伸强度和热稳定性。该合金以体心立方结构的Ta-12W-1Re（质量分数）为基体，在熔炼过程中有目的地加入少量HfB2，使其与合金基体中的氧发生选择性氧化反应，形成生成焓非常负的HfO2，并释放出B原子。B在钽基体中的扩散速率很高，快速扩散到晶界并占据间隙位置，有效阻碍了氧化物颗粒在晶界处形核，促进了其在晶粒内的均匀析出。同时，随着氧化产物HfO2颗粒的形成，B还将快速富集在这些颗粒与基体之间的界面处，减缓氧化物的长大从而将其尺寸限制在几十纳米尺度。由此，在晶粒内高密度、均匀弥散地析出了由B包覆的HfO2第二相（图2）。
图1 硼干预的原位氧化反应示意图，在钽合金晶粒内引入了高密度、均匀弥散分布的由B原子包覆HfO2的新型纳米颗粒。
图2 新型B-ODS钽合金的微观组织。a，晶粒形貌。b，晶内弥散分布的纳米颗粒。c，析出相和基体的几何相位分析，显示局部应变分布。d，不同元素的空间分布，表明Hf、O在纳米颗粒内富集。e，析出相与基体界面形貌，插图为析出相的快速傅里叶变换。f，三维原子探针技术分析析出相-基体界面（图d中红色方框区域）的元素分布。g，界面附近元素含量的定量表征：硼在界面富集。h-j，密度泛函理论计算硼在几类典型Ta/HfO2界面的偏聚能。
该B-ODS钽合金在室温具有优异的强塑性，其抗拉强度超过800 MPa，拉伸延伸率可达35%，具备良好的加工成形能力。更为突出的是，该合金2000℃和2400 ℃下的拉伸屈服强度分别达到200 MPa和100 MPa，显著优于已报道的各类传统难熔合金及新兴的难熔多主元合金（图3）。例如，该新型钽合金在2000 ℃超高温下的拉伸屈服强度相较传统钽合金提高了一倍；而在承担相同100 MPa载荷时，新合金的承温上限比现有钽合金提升了约500 ℃。此外，蠕变测试结果表明该合金比传统难熔合金具有更为优异的长时服役潜力。
图3 B-ODS 钽合金在室温和超高温下的拉伸性能。a-b，该合金在室温下具有优异的强度和塑性组合。c-d，2000-2400 ℃超高温区间的拉伸性能，该合金拉伸屈服强度明显优于传统难熔合金和新兴的难熔多主元合金。
需要强调的是，该B-ODS钽合金与传统碳化物强化钽合金存在显著区别：首先，B干预的原位氧化反应能够在晶粒内部形成均匀弥散的氧化物第二相，有效钉扎位错，提升了合金的拉伸强度（图4a-h）。其次，该新型氧化物颗粒自身可通过多种方式发生塑性变形，有效协调了其与基体之间的应变匹配，提升了合金塑性（图4i-l）。再者，包覆氧化物颗粒的B原子能够阻碍间隙氧原子扩散，抑制氧化物高温粗化，在超高温下具有较高热稳定性（图5）。最后，该第二相在基体中具有较低溶解度，能够抑制高温下回溶于基体，在超过2000 ℃下仍能有效阻碍位错运动，保持合金的高温强度。上述几点均弥补了传统碳化物第二相的不足。
图4 B-ODS钽合金的室温力学变形机制。a-d，不同拉伸应变下的微观组织形貌。e-h，在5%拉伸应变下，位错与纳米颗粒的相互作用及位错反应。i-l，在35%拉伸应变下，断口附近第二相的塑性变形行为，包括层错、孪晶和马氏体相变。
图5 B-ODS钽合金的超高温热稳定性。2000 ℃保温20 min后拉伸失效后样品的微观组织表征。a，断口附近的晶粒形貌。b，动态回复过程中形成的低角度亚晶。c-d，纳米颗粒与位错的相互作用。e-f，三维原子探针技术分析表明B原子仍富集在第二相与基体界面。
