大连交大&南加州大学《Nature》子刊：激光增材制造高通量开发新型超高温多主元合金！

近日，大连交通大学的吕云卓教授团队联合南加州大学的陈文教授团队、纽约州立大学陈伟教授团队，在超高温结构材料研发领域取得了重要进展。相关研究成果以“High-throughput discovery of ultrahigh-temperature multi-principal element alloys by combinatorial additive manufacturing”为题发表在《Nature Communications》上，系统报道了通过激光增材制造技术快速筛选W-Re-Os体系多主元合金。所开发的合金在室温下展现出约1.8 GPa的超高屈服强度和9%的压缩塑性，同时在1400℃高温下仍能保持约1.4 GPa的屈服强度，并具备显著的应变硬化能力，性能远超目前已报道的其他高温合金，为航空航天、核能等领域关键部件材料升级提供新方案，同时为超高温合金的高效研发开辟了全新的途径。

该论文大连交通大学王玮琦和南加州大学刘健为共同第一作者，大连交通大学吕云卓教授与南加州大学陈文教授为通讯作者，研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67301-7

在航空发动机涡轮叶片、核反应堆核心部件等极端环境应用中，材料需同时具备超高强度、抗热软化能力与室温塑性，而现有材料面临性能“难以兼顾”的困境。传统镍基高温合金在1000℃以上易快速软化，无法满足更高温度需求；已有的难熔多主元合金虽耐高温，但大多存在室温脆性大、热稳定性不足等问题，且传统“试错法”研发周期长、成本高，难以高效筛选最优成分。

针对这一难题，研究团队创新采用“激光增材制造高通量筛选”技术，突破传统材料研发范式。该技术通过独立控制钨（W）、铼（Re）、锇（Os）三种熔点超3000℃的难熔金属粉末进给速率，在短时间内即可制备包含约500个不同成分的块状合金样品库，覆盖整个三元相图，将候选合金制备效率提升数百倍。

研究团队从材料设计、制备到表征全链条创新，构建“高效筛选-精准调控-机制解析”的研发体系，最终锁定最优成分W42Re30Os28合金，其性能表现远超现有高温合金，具体为：

• 室温性能优异：室温下屈服强度达1.83±0.03 GPa，同时保持9.0±0.5%的压缩塑性，解决难熔合金“高强度与高塑性难以共存”的痛点；

• 高温性能稳定：在1400℃极端温度下，仍能维持1.38±0.02 GPa的高屈服强度，并具备显著的应变硬化能力，远超镍基高温合金及其他难熔多主元合金；

• 微观结构可控：该合金形成独特的双相亚共晶组织，由六方密堆积（HCP）固溶体与ReW型体心四方（BCT）金属间化合物构成，通过基底滑移、非基底滑移、形变孪生及异质变形诱导几何必需位错等多重变形机制，协同实现强度与塑性的平衡。

除此之外，为精准筛选最优成分，团队还引入“逼近理想解排序法（TOPSIS）”，综合考量1000℃高温硬度、硬度保留率及室温压痕堆垛高度三大指标，从约500个候选成分中高效锁定性能最优的合金区域，为多性能目标材料筛选提供科学方法。

所开发WReOs合金体系的优异性能，使其在航空航天、核能等极端环境领域展现出巨大应用潜力。例如，在新一代航空发动机中，可用于制造承受超高温的涡轮叶片、燃烧室部件，提升发动机推重比与服役寿命；在核能领域，有望作为核反应堆包壳材料或高温结构件，耐受强辐射与超高温双重极端条件。

此外，该研究建立的“增材快速制造+高通量表征+多目标筛选”技术框架，打破传统难熔合金研发效率低、成本高的局限，为其他极端环境材料（如抗腐蚀、抗辐射合金）的快速开发提供可推广的范式。

图1：WReOs 体系的设计思路与高通量制备策略

图2：WReOs合金体系高通量筛选及微观结构表征

图3：展示所开发WReOs合金体系优异室温、高温性能

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。

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