尽管目前学界已提出多种可再生能源方案，且全面实用化前景令人期待，但像长途飞行的飞机等耗能大户，至少在未来20至30年内仍有需求，因此，从环境保护层面考量，提升使用化石燃料的发动机与燃烧器的燃烧效率，依旧是一项重要的研究课题。为实现这一目标，需要研发出能在比现有镍基超合金更能耐受严苛使用环境的新型材料。铬、钼等高熔点的耐火金属及其合金，是极具潜力的候选材料，但铬在高温下的抗氮化性能欠佳，钼在中高温下的抗氧化性能较差，这些都是实际应用中面临的大问题。合金化虽能在一定程度上规避这些问题，但会出现“性能权衡”（trade off）现象，即改善高温抗氧化与抗氮化性能的同时，室温下的变形能力与断裂韧性会降低。因此，当前亟需确立一套合金设计指南，在提高高温抗氧化与抗氮化性能的同时，兼具高强度与高延展性，获得可应用于高温结构的新型耐火金属合金。
图1 通过添加Si（硅），可促使合金形成发达的树枝状晶体结构（枝晶组织），从而实现高强度化，同时，强度的提高会诱发变形孪晶的形成，使得材料在室温下也具备足够的变形能力。添加Si还能使合金表面生成富含Si的氧化膜，从而显著提高抗氧化性能。
此外，通过控制氧化环境，使得Cr始终优先于Mo发生氧化反应，从而赋予合金卓越的抗氧化性。（供图：京都大学）
日本京都大学大学院工学研究科的乾晴行教授，与德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruher Institut für Technologie）的M. Heilmaier教授、德国DECHEMA研究所的M. Galetz教授组成的研究团队，在前期研究成果的基础上，将目光聚焦于有望同时提升高温抗氧化与抗氮化性能的Cr-Mo合金上，通过实验验证了Cr/Mo比例与添加Si的效果，成功研发出一种兼具高强度与高延展性的新型合金，并确立了新的合金设计方针。
这些结果表明，借助战略性的合金设计，不仅能够促使形成优良的抗氧化膜结构，还能在控制耐火金属合金特性方面发挥巨大威力。
此外，该战略性合金设计还能实现与强化效果直接相关的合金组织结构调控。基于该发现，通过采用结合元素策略的合金设计方法，有望催生新一代高温结构材料——新型耐火金属合金。相关研究成果已发表在杂志《Nature》的网络版上。
乾晴行教授表示：“本研究成功研制出的是Cr-Mo-Si三元合金，但通过此次开发合金的过程确立了一种全新的合金设计方法，不仅通过实验，更要借助实验与计算相结合的融合式新方法，加快研究进度，从而更迅速地应用这套设计方法，为材料科学和社会发展做出贡献。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature
论文：A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high temperature oxidation
DOI：10.1038/s41586-025-09516-8
