新型合金性能有望超越當(dāng)前渦輪機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鎳基合金。

“現(xiàn)有超級(jí)合金在室溫下具有延展性,在高溫下保持穩(wěn)定,并具備抗氧化能力。但其安全使用溫度上限最高僅為1100攝氏度,這個(gè)溫度對(duì)于充分發(fā)揮渦輪機(jī)或其他高溫應(yīng)用的效率潛力而言實(shí)在太低。”為此,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院教授Martin Heilmaier團(tuán)隊(duì)開始尋求新的解決方案,并開發(fā)出由鉻、鉬和硅組成的新型合金。日前,相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

高溫金屬對(duì)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、X射線系統(tǒng)及其他先進(jìn)技術(shù)至關(guān)重要。其中最耐熱的當(dāng)數(shù)難熔金屬,如鎢、鉬和鉻,它們的熔點(diǎn)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(zhì)地脆硬,暴露于氧氣中會(huì)迅速氧化,導(dǎo)致在600至700攝氏度(約華氏1100至1300度)時(shí)就會(huì)失效。正因如此,它們只能用于特殊真空環(huán)境。

“這款新型合金在室溫下具備延展性,熔點(diǎn)約為2000攝氏度,且與已知難熔合金不同,即使在臨界溫度區(qū)間也僅緩慢氧化。這為實(shí)現(xiàn)部件適用溫度顯著超越1100攝氏度的愿景奠定了基礎(chǔ)。”德國波鴻魯爾大學(xué)的Alexander Kauffmann博士表示。

研究發(fā)現(xiàn),盡管計(jì)算機(jī)輔助材料開發(fā)已取得長足進(jìn)步,但抗氧化性和延展性仍無法被充分預(yù)測(cè)以實(shí)現(xiàn)靶向材料設(shè)計(jì)。

“在渦輪機(jī)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(duì)航空業(yè)尤為重要,因?yàn)槲磥頂?shù)十年內(nèi)電力驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)仍難以實(shí)現(xiàn)長途飛行。發(fā)電廠的固定式燃?xì)廨啓C(jī)可憑借更堅(jiān)實(shí)的材料實(shí)現(xiàn)更低的二氧化碳排放。要將該合金投入工業(yè)應(yīng)用,仍需完成諸多開發(fā)步驟。

相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8