增材制造快速筛选496种合金，发现下一代超高温材料

镍基高温合金是航空航天高温部件的核心材料之一，其服役温度已逐步提升至约1000°C。然而，当温度超过1000°C时，这些合金会发生显著的力学性能衰减——这主要源于其相对较低的熔点所导致的高温软化机制。对于高超音速飞行（>5马赫）、太空探索和先进能源系统等新兴领域，开发能够在1500°C甚至更高温度下保持结构稳定和力学性能的新材料，已成为迫切需求。

高超音速飞行器热端部件、核聚变反应堆第一壁材料、先进燃气轮机叶片——这些极端应用场景对材料的高温强度、抗氧化性、抗蠕变等性能提出了前所未有的挑战。镍基高温合金的性能天花板，正推动着材料科学界向更高熔点的难熔金属体系探索。

然而，传统合金研发流程依赖经验驱动的“试错”模式：合金熔炼、成分调整、组织表征、性能测试，每个循环周期长达数周甚至数月。当研究范畴扩展到由多种主元构成的、近乎无限成分空间的高熵合金或多主元合金时，这种低效模式面临巨大挑战。如何在高维成分空间中快速锁定目标合金，成为难熔高熵合金领域的关键科学问题。

论文链接：

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

高通量实验方法—组合增材制造

USC（南加州大学）研究团队提出了一种组合增材制造（Combinatorial Additive Manufacturing, CAM）技术。

图1 |Figure 1a 合金设计策略（原文Figure 1a):展示了W、Re、Os三种元素在熔点-杨氏模量图中的位置。这三种元素均位于右上角，熔点均超过3000°C，且具有高杨氏模量，使其成为超高温合金的理想候选元素; Figure 1b-d组合增材制造技术原理:图b为CAM 3D打印技术示意图，三个独立料斗分别控制W、Re、Os粉末的输送速率；图c为一次打印制备的496个样品的成分分布图，覆盖近整个W-Re-Os三元相图；图d为单个“纽扣”样品的放大图，直径约5毫米、高度约3毫米。

这项技术的核心在于将激光定向能量沉积（Laser-Directed Energy Deposition, L-DED）的工艺灵活性与组合材料学的通量实验思想相结合。

研究团队选取了三种熔点均超过3000°C的难熔金属——钨（W）、铼（Re）和锇（Os）作为模型体系，采用配备三个独立送粉单元的L-DED增材制造平台。在成型过程中，通过实时独立控制各粉末的输送速率，激光熔池中W、Re、Os三种元素的比例可实现连续变化。

通过组合增材制造技术，研究团队在数小时内，制备了包含496个独立“纽扣”样品的成分梯度库，每个样品直径约5毫米、高度约3毫米，成分变化步长为3 at.%。这一样品库几乎覆盖了整个W-Re-Os三元相图，构建了可供高通量筛选的“材料基因库”。

这种高通量实验方法将传统冶金学中需要数周至数月完成的成分空间探索工作压缩至数小时，为高熵合金、难熔金属等前沿材料体系的快速筛选提供了新的技术路径。

496个样品中筛选出的WRO-3

获得成分梯度样品库后，研究团队采用高通量表征技术对近500个样品进行系统筛选。

首先，通过X射线衍射（XRD）绘制了合金体系的室温相图，识别出不同成分区域的相组成：包括HCP固溶体单相区、BCT金属间化合物单相区、BCC固溶体单相区，以及HCP+BCT和BCT+BCC两个双相区。

图2 | W-Re-Os合金体系相图与微观结构（原文Figure 2a-e）
图a为通过高通量XRD构建的W-Re-Os合金室温相图，显示了HCP、BCT、BCC单相区及HCP+BCT、BCT+BCC双相区；图b-e为四个代表性样品的EBSD相图，其中图d显示单相BCT合金存在裂纹，而图c和图e所示的双相区合金无裂纹，呈现出独特的亚共晶组织。

随后，采用高温显微硬度测试系统，测量了所有样品从室温至1000°C的硬度变化，构建了该体系的高温硬度图谱，用以评估各成分的高温强度与热稳定性。

图3 | 室温及高温硬度图谱（原文Figure 3a,c）
图a为室温硬度分布图，显示含有BCT相的合金硬度最高；图c为1000°C高温硬度分布图，W₄₂Re₃₀Os₂₈所在区域表现出优异的硬度保持率。

通过相图分析与高温硬度数据的综合比对，位于HCP+BCT双相区的合金成分——W₄₂Re₃₀Os₂₈(本文简称WRO-3)从496个候选合金中脱颖而出。该成分不仅在室温下表现出高硬度，且在1000°C的高温测试中保持了优异的硬度保持率。经后续放大制备与力学性能验证，该成分被确定为目标合金。

力学性能

经系统表征，W₄₂Re₃₀Os₂₈的力学性能数据如下：

室温压缩性能：屈服强度达1.83 GPa，压缩塑性为9%。这一强度-塑性组合在难熔高熵合金体系中具有显著优势。

高温压缩性能：在1400°C测试温度下，屈服强度保持在1.38 GPa。作为对比，传统镍基高温合金在该温度下已基本失去承载能力。

加工硬化行为：在1400°C高温下，该合金仍表现出明显的加工硬化阶段，表明其在高温服役条件下具有良好的力学稳定性，这对于高超音速飞行器、核聚变反应堆等对安全性要求极高的应用场景具有重要意义。

图4 |W₄₂Re₃₀Os₂₈合金的力学性能（原文Figure 4a-c）
图a为室温压缩应力-应变曲线，显示该合金的屈服强度达1.83 GPa，塑性约9%；图b为W₄₂Re₃₀Os₂₈与其他难熔高熵合金及高温合金的强度-塑性对比散点图；图c为从室温至1400°C的屈服强度变化曲线，显示W₄₂Re₃₀Os₂₈在1400°C仍保持1.38 GPa的高强度，远超镍基高温合金及其他难熔合金。

微观组织与变形机制

W₄₂Re₃₀Os₂₈的力学性能源于其独特的微观组织与多尺度变形机制。

双相微观组织

该合金为亚共晶组织，由初生HCP（密排六方）相和HCP/BCT（体心四方）共晶团构成。其中BCT相为ReW型金属间化合物，作为强化相提供高强度的基础；HCP固溶体相作为韧性基体，为塑性变形提供空间。两相形成的纳米层片结构层间距约为360-430 nm，相界面结合良好。

图5 | WRO-3合金的微观结构（原文Figure 5a-d）
图a-b为SEM和EBSD图像，显示HCP初生枝晶和HCP/BCT层片状共晶组织；图c为HAADF-STEM图像，显示HCP相（暗）与BCT-ReW相（亮）交替排列的纳米层片结构；图d为高分辨TEM图像，显示两相界面的原子结构。

三阶段变形机制

通过透射电镜原位表征，研究团队揭示了该合金在压缩变形过程中的微观机制演化：

阶段I（~1%应变）：背应力硬化。软HCP相优先屈服，硬BCT相阻碍位错运动，在相界面处积累大量几何必需位错（Geometrically Necessary Dislocations, GNDs），产生约1.3GPa的背应力，贡献了约74%的流变应力。

阶段II（~4%应变）：孪生强化。{11̄21}拉伸孪晶在HCP相内大量激活，形成孪晶网络，有效分割晶粒并阻碍位错滑移。

阶段III（~8%应变）：裂纹钝化。HCP/BCT相界面作为韧性缓冲层，使萌生的微裂纹发生偏转、分叉，延缓了宏观断裂的发生。

图6 | 室温变形机制（原文Figure 6a-f）
Figure 6a-f 室温变形机制：几何必需位错、{11̄21}孪晶、裂纹钝化；Figure 6g-i高温变形机制：{11̄21}和{10̄12}两种孪晶类型（原文Figure 6g-i）。

此外，HCP相的轴比c/a为1.627（略低于理想密排值1.633），降低了非基面滑移的临界分切应力，激活了HCP材料中罕见的锥面位错，为塑性提供了额外的滑移系。

高温稳定性机制

W₄₂Re₃₀Os₂₈在1400°C仍保持高强度的机制可归纳为：

1. 高熔点特性
根据合金成分估算，其熔点约3244°C，为已报道难熔高熵合金中的最高值之一。1400°C仅相当于0.43倍同系温度（Tm），远低于金属材料通常发生显著软化的0.5-0.6 Tm阈值。

2. 双相组织稳定性
HCP相为密排结构，原子扩散速率较低；BCT相为复杂多面体结构，具有高配位数和高原子堆积密度；两相界面有效阻碍高温下的晶界迁移和原子扩散。

3. 高温孪生活化
在800°C以上，合金中除{11̄21}孪晶外，还出现了{10̄12}类型孪晶。两种孪晶的协同作用维持了高温下的加工硬化能力。

方法论意义与应用前景

W₄₂Re₃₀Os₂₈的发现本身具有材料学价值，而更具普遍意义的是该研究建立的“计算设计-高通量制备-快速表征-数据筛选”完整方法论：

成分设计 → CAM快速制备 → 高通量表征 → 多指标综合评估 → 目标合金验证

这一创新方法的意义在于将材料发现从“经验驱动”推向“数据驱动”，为材料基因组计划、人工智能辅助材料研发等宏观科学目标提供了可操作的实验平台。

在应用层面，W₄₂Re₃₀Os₂₈所展示的极端温度力学性能，为以下领域提供了新的材料选项：

高超音速飞行器的热端部件、前缘结构

核聚变反应堆的第一壁、偏滤器部件

先进燃气轮机的涡轮叶片、燃烧室衬套

科学谷·视界

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

全球难熔高熵合金市场正经历增长期。据恒州诚思（YH Research）调研统计，2024年全球难熔高熵合金收入规模约1.9亿元，到2031年将接近5.7亿元，2025-2031年复合增长率（CAGR）为17.5%。

从全球极端环境材料研发与应用布局举例来看，美国桑迪亚国家实验室等机构正将增材制造NbMoTaWVx系合金推向高超音速飞行器热端部件原型验证；欧盟核聚变计划已将HfNbTaTiZr列入DEMO示范堆第一壁候选材料清单；中国则在NbMoTaWHfN合金中实现1800°C下288 MPa的强度突破，加速其在新型航天发动机燃烧室的应用验证。

与此同时，增材制造技术正在重塑RHEAs的工程化路径。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）最新研究表明，通过调控激光扫描速度可实现微观组织的精准“编程”——从多相分离到单相“冻结”，在同一合金体系中获得从脆硬到强韧的连续性能谱。国内学者在《航空材料学报》的综述亦指出，增材制造可有效抑制RHEAs的元素偏析、细化晶粒组织，为解决该材料体系的本征脆性与加工难题提供了关键技术路径。

未来，随着“高通量计算设计-增材制造精准成型-极端环境工程验证”全链条的打通，RHEAs有望在航空发动机、核聚变堆、高超音速飞行器等高温部件市场中占据制高点。这场由难熔高熵合金与增材制造深度融合驱动的材料革命，正在将极端环境装备的性能边界推向全新高度。

参考资料

恒州诚思（YH Research），《全球难熔高熵合金市场研究报告（2025-2031）》，2025年

Sandia National Laboratories，"Breakthrough in refractory high-entropy alloys for hypersonic applications"，2024 （https://share.sandia.gov/news/resources/news_releases/refractory_alloys/）

EUROfusion Consortium，"DEMO divertor and first wall materials roadmap"，2024 （https://euro-fusion.org/programme/demo/）

Wan Y, Cheng Y, Chen Y, et al.A Nitride-Reinforced NbMoTaWHfN Refractory High-Entropy Alloy with Potential Ultra-High-Temperature Engineering Applications. Engineering, 2023, 30: 110-120. DOI: 10.1016/j.eng.2023.06.008

Lawrence Livermore National Laboratory，"Microstructure engineering in additively manufactured high-entropy alloys"，LLNL Research Brief, 2024

吴渊, 等. 增材制造高熵合金的研究进展与展望. 航空材料学报, 2023, 43(6): 1-15

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