抗高温氧化且具室温韧性的Cr-Mo-Si单相合金突破高温材料应用瓶颈

为解决高温应用中镍基高温合金效率受限及难熔金属材料抗氧化性与室温韧性难以兼顾的问题，研究人员开发了一种新型Cr-36.1Mo-3Si（at.%）单相固溶体合金。该材料在1100°C高温下表现出优异的抗pesting、氮化及氧化皮剥落性能，同时具备室温压缩韧性，其强度在900°C仍保持760 MPa。该研究通过Si的微量添加调控氧化机制，形成连续Cr2O3保护层与界面SiO2，为高温能源转换装备提供了兼具力学性能与环境抗性的新材料解决方案。

　　

随着可再生能源的快速发展，提高化石或合成燃料的能量转换效率仍是重要挑战。特别是在长程航空领域，燃烧发动机在未来几十年仍不可或缺。提升发动机工作温度（1050-1150°C）是提高效率的有效途径，但这要求替换目前涡轮最热部位使用的单晶镍基高温合金，转而采用固相线温度超过2000°C的难熔金属材料。然而，现有难熔金属材料面临两大瓶颈：一是高温抗氧化/腐蚀性能不足，难以承受燃烧气氛；二是室温脆性较高，缺乏损伤容限和设备装配所需的韧性。尽管某些难熔金属合金的强度和蠕变抗力已优于镍基高温合金，但氧化和韧性问题严重限制了其实际应用。

以往尝试改善钼（Mo）和铬（Cr）合金抗氧化性的方法，往往以牺牲室温韧性为代价。例如，添加高铝（Al）虽能提升抗氧化性，但会引发晶格有序化导致完全脆化；而引入硅化物等金属间化合物相，则因本征脆性使材料难以加工和使用。因此，开发兼具高温环境抗性和室温韧性的单相固溶体材料，成为该领域的重要突破方向。

在此背景下，Frauke Hinrichs等研究者在《Nature》发表了题为“A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation”的研究成果，报道了一种新型Cr-36.1Mo-3Si（at.%）合金。该材料首次同时满足了高温抗氧化性和室温韧性的关键要求，为高温能源转换装备提供了新材料解决方案。

研究采用电弧熔炼技术合成合金，通过循环氧化实验、压缩力学测试、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）及原子探针断层扫描（APT）等多尺度表征手段，系统评估了材料的氧化行为、力学性能及微观机制。样本队列为实验室制备的铸态（AC）和均质化（H）合金样品。

微观结构与相组成

研究通过电弧熔炼制备了Cr-37.2Mo（无Si）和Cr-36.1Mo-3Si两种合金，其铸态组织均呈现树枝晶单相体心立方（bcc）结构。

XRD分析确认所有条件均为单相A2结构（W原型），未检测到硅化物相。均质化处理（1600°C/48h）后枝晶消失，晶粒粗化至500μm以上。

抗氧化性能

循环氧化实验表明，无Si的Cr-37.2Mo在800°C出现持续质量损失（-8.1 mg/cm2），1100°C时样品 disintegration。而含3%Si的Cr-36.1Mo-3Si在800°C质量变化可忽略（+0.07 mg/cm2），1100°C时仍保持结构完整（质量变化-3.5至+1.1 mg/cm2）。

SEM-EDS显示含Si合金形成连续Cr₂O₃氧化层（800°C厚度1.7-3.9μm），而无Si合金氧化层多孔且厚（91μm）。APT分析证实界面处存在SiO₂，且Mo在亚表层富集，共同抑制了MoO₃挥发和N内渗。

力学性能

压缩测试显示，铸态合金室温强度达1100 MPa，900°C仍保持760 MPa（70%室温强度）。均质化后强度降低（室温665 MPa），但塑性应变达4-6%。

变形机制分析发现，室温至900°C均出现锯齿状塑性流动和{112}<111>型变形孪晶。

孪生贡献了高加工硬化能力（dσ_t/dε_t > σ_t），但粗晶条件下孪晶尖端易引发微裂纹。

氧化机制解析

通过Ellingham diagram分析，Si的添加降低了界面氧分压（p_O2 ≈ 10^-24 Pa），促进Cr优先氧化形成保护性Cr₂O₃而非挥发性MoO₃。

量化计算表明，含Si合金中Cr/Mo氧化比例达5.4（理论值1.7），证实Si显著优化了氧化选择性。

研究结论表明，Cr-36.1Mo-3Si合金通过3%Si的固溶添加，实现了三重协同效应：形成连续Cr₂O₃保护层、亚表层Mo富集阻隔氮化、界面SiO₂抑制氧化挥发。其单相bcc结构保障了室温压缩韧性（塑性应变9-15%），而变形孪晶与位错滑移的共存提供了高加工硬化能力。该材料在800-1100°C展现优异抗氧化性，900°C强度保持760 MPa，突破了难熔金属材料难以兼顾高温环境抗性与室温韧性的困境。

这项工作为高温能源转换系统提供了可替代镍基高温合金的新型材料解决方案，且其简单的电弧熔炼工艺具备规模化应用潜力。未来需进一步研究晶界工程对拉伸韧性的影响，以及热机械处理对力学性能的优化空间。