从高超声速飞行器到核反应堆，极端环境向材料提出了前所未有的挑战

当飞行器以马赫数9.6巡航时，机头前缘温度可飙升至2200℃ ，远超传统镍基高温合金的服役极限。在这样严苛的条件下，难熔金属（W、Ta、Mo、Nb）及其合金凭借其极高的熔点和优异的高温强度，成为唯一可行的候选材料。

然而，这类材料却面临一个“冰与火”的矛盾：它们在高温下坚硬如铁，在室温下却脆如玻璃。如何让难熔合金同时拥有室温延展性和超高温强度，已成为材料科学领域亟待攻克的难题。

近日，西安交通大学孙军院士团队在《Advanced Materials》上发表长篇综述，系统梳理了高强韧难熔合金的研究进展，为下一代极端环境用材料的设计提供了全景式路线图。

01 难熔合金的“三重门”：制备、性能与挑战

难熔合金的熔点普遍超过2000℃ ，这给材料制备带来了巨大困难。目前主流的制备方法主要有三种（图2）：

• 真空熔炼：包括真空电弧熔炼、电子束熔炼等，能获得高纯度的铸锭，但易出现成分偏析和粗大柱状晶。

• 粉末冶金：可有效抑制成分偏析、细化晶粒至纳米尺度，但杂质（C、O、N）引入问题难以回避。

• 增材制造：可制备复杂几何构件，但高熔点带来的巨大热梯度极易引发微裂纹和残余应力。

无论采用何种工艺，难熔合金始终面临三大性能瓶颈：韧脆转变、室温强塑性矛盾、高温强度衰减。

02 韧脆转变：解开室温脆性的“死结”

体心立方（BCC）结构的难熔合金，其韧性随温度降低而急剧下降，存在一个韧脆转变温度（DBTT）。

• W和Mo：DBTT高达75–880℃，室温下几乎无塑性。

• Nb和Ta：DBTT可低至-196℃以下，室温下表现出良好的延展性。

研究人员发现，这一行为的根源在于螺位错的运动能力。在低温下，螺位错依靠“扭折对”形核机制运动，其极高的激活能导致位错难以从裂纹尖端发射，从而引发脆性解理断裂。

03 强塑性矛盾：向W和Mo中“借力”的代价

为了提高Nb、Ta基合金的强度，通常会加入W、Mo等高熔点元素进行固溶强化。但代价是惨重的——塑性急剧下降。

• 例如，D-41（Nb-20W-10Ti-6Mo）的屈服强度达852 MPa，但延伸率仅4%。

• 当W在Ta-W合金中超过14 wt.%时，DBTT会迅速上升至室温以上。

近年来，研究人员在“第二类”难熔高熵合金（如TiZrNb、TiZrHfNb等）中找到了突破口。这类合金主要包含IV、V族元素，在保持较好室温塑性的同时，通过晶格畸变实现了高强度。例如，Ti₄₁Hf₁₃Nb₁₃Mo₆V₂₇的室温抗拉强度超过1.3 GPa，延伸率仍保持在10% 以上。

04 高温强度：谁才是“王者”？

当温度超过0.5–0.6倍熔点（T_m）时，几乎所有金属的强度都会因位错湮灭和晶界滑移而断崖式下跌。不同难熔合金的“高温续航能力”差异显著（图5）：

• 1000–1500℃：K掺杂的W-3Re合金、Mo-La₂O₃-ZrC等表现突出，强度优势明显。

• 1500℃以上：Ta基合金（如Astar-811C）逐渐成为“霸主”，在1982℃时仍能保持73 MPa的强度。

• 蠕变性能：在1200℃下，Ta-10W合金的稳态蠕变速率甚至优于W-Re合金。

难熔高熵合金（RHEAs）则为高温强度提供了新思路。研究发现，在CrMoNbV等强晶格畸变合金中，刃位错的运动反而成为塑性变形的控制机制，这颠覆了传统BCC合金“螺位错主导”的认知。

05 增韧与强化：多管齐下的“组合拳”

面对上述矛盾，研究者们发展出一系列增韧和强化策略（图16）：

增韧策略：

• 本征增韧：通过Pugh比（G/B）、Cauchy压力、价电子浓度（VEC）等准则指导成分设计。降低VEC（<4.5）或引入IV族元素可显著改善本征延性。

• 提升位错运动性：添加Re或IV族元素可使螺位错芯结构由对称变为非对称，激活更多滑移系，有效降低DBTT。

• 强化晶界：添加Hf、B等元素可“捕获”晶界处的氧杂质，抑制沿晶脆断。此外，将晶粒细化至超细晶或引入大量小角晶界，也能大幅提升室温塑性。

强化策略：

• 固溶强化：难熔高熵合金中巨大的晶格畸变可产生极强的固溶强化效应，其强度预测模型已从传统螺位错模型拓展至刃位错主导模型。

• 第二相强化：

  • 陶瓷颗粒：纳米La₂O₃、ZrC等粒子可有效钉扎位错和晶界。NS-Mo合金（纳米结构Mo）室温延伸率高达37.5%，1400℃时强度仍达185 MPa。

  • 共晶相：TaC等碳化物可与BCC基体形成半共格界面，Re₀.₅MoNbTaW(TaC)₀.₉合金在1200℃下的压缩强度高达2 GPa。

  • B2相：借鉴镍基高温合金的γ/γ′结构，在BCC基体中引入有序B2相（如HfRu）可望获得优异的高温强度与热稳定性。

06 氧化：被忽视的“致命伤”

难熔合金在高温下的抗氧化能力，常常成为其工程应用的“最后一根稻草”。

• 高温氧化行为：Mo在600℃以上会形成挥发性MoO₃，导致“灾难性氧化”。W、Nb、Ta的氧化速率比镍基高温合金高出数万倍（图15）。

• 改善途径：添加Cr、Al、Si等元素形成致密保护性氧化膜（如Cr₂O₃、Al₂O₃、SiO₂），或在表面涂覆硅化物（如MoSi₂、NbSi₂）涂层，是当前的主流防护手段。

07 总结：走向极端环境的新蓝图

这篇综述为未来难熔合金的发展指明了方向：

✅ 多尺度调控：从电子结构的本征延性设计，到纳米/微米尺度的晶界工程与第二相调控，再到宏观的增材制造工艺优化，构建全链条设计范式。
✅ 新机制探索：难熔高熵合金中刃位错主导的塑性变形、共格界面的高温稳定性、局部化学有序对位错运动的影响，都是值得深入挖掘的“富矿”。
✅ 交叉融合：将数据驱动的机器学习、高通量计算与实验验证深度融合，有望加速发现同时具备超高强度、优异塑性和抗氧化能力的新型难熔合金。