尽管可再生能源在现阶段的发展迅速，但在未来数十年远程飞机等应用中仍然依赖内燃机。为了提升能源转换效率，材料的服役温度需要提高到1050-1150°C，这就要用固相线温度超2000°C的难熔金属基材料替代涡轮高温区的单晶镍基高温合金。然而现有难熔金属基材料存在两大关键问题，一是高温抗蚀性差，例如Mo合金在500°C以上易粉化、Cr基合金在1000°C以上易出现氧化皮剥落和氮化。二是室温延展性不足，在此之前改善抗氧化性的方案常导致延展性丧失。因此研发兼具高温抗蚀性与室温延展性的难熔金属基合金成为关键需求。
近日德国科学家研究了一种单相Cr-36.1Mo-3Si(at.%)合金，首次满足了耐火材料在高温下具有抗腐蚀、氮化和结垢剥落的性能，最低可达1100°C，以及其在室温下具有足够的压缩延展性。该研究于2025年10月8日被发表于《Nature》正刊上。
文章链接：
https:///10.1038/s41586-025-09516-8
【核心内容】
首次研发出单相Cr-36.1Mo-3Si合金，系统研究其成分设计、制备工艺、微观结构、800-1100°C高温抗氧化性与室温压缩延展性及微观机制，该合金中Si可以促进形成保护性氧化层，其变形依赖于位错滑移和形变孪生，以解决难熔金属基材料高温抗蚀性与室温延展性难以兼顾的问题，为替代镍基高温合金提供候选方案。
【研究方法】
该研究通过电弧熔炼制备了Cr-36.1Mo-3Si合金及对比合金Cr-37.2Mo，对部分合金进行了1600°C/48h的均质化处理，采用扫描电镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、原子探针层析（APT）等表征微观结构，通过800°C、1100°C的循环氧化测试评估合金的高温抗氧化性，并借助室温至900°C的压缩测试分析力学性能，以揭示合金的高温抗氧化机制与室温变形机制。
【研究成果】
① 合金微观结构
Cr-36.1Mo-3Si合金和Cr-37.2Mo合金均为BCC A2结构，无硅化物等第二相，其中Cr-36.1Mo-3Si合金铸态和均质化态分别被命名为AC和H。铸态Cr-36.1Mo-3Si合金的树枝晶间距为52±14μm，均质化后树枝晶消失，晶粒粗化大于500μm。
所研究合金微观组织
通过XRD确定A2晶体结构
② 高温抗氧化性能
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800°C循环氧化100h：
Cr-36.1Mo-3Si合金的AC态和H态比质量变化很小，分别为（+0.07±0.04）mg/cm²和（+0.04±0.08）mg/cm²，该状态下形成连续薄Cr₂O₃氧化层，其中AC态的Cr₂O₃氧化层厚1.7±0.3μm，而H态的厚为3.9±2.4μm。Cr-37.2Mo合金的比质量为（-8.1±1.8）mg/cm²，氧化层多孔且厚高达91±24μm。
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1100°C循环氧化100h：
Cr-36.1Mo-3Si合金在该条件下无崩解，AC态比质量变化-3到-4mg/cm²，H态为（+1.1±0.4）mg/cm²，而Cr-37.2Mo合金在短时间内崩解。
材料性能评估
③ 力学性能
Cr-36.1Mo-3Si合金AC态室温下σ1%约1100MPa，900°C时为760MPa。H态室温σ1%为665MPa，900°C时为590MPa。室温压缩时，Cr-36.1Mo-3Si合金在AC态和H态最大应力下塑性应变为9-15%和4-6%，两种状态下均无崩解。
在Cr-36.1Mo-3Si上进行的压缩测试结果，应变超过了最大应力
④关键机制
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抗氧化机制：Si促使形成“连续Cr₂O₃氧化层+Mo富集亚表层+界面SiO₂”体系，且无需高体积分数硅化物即可实现抗蚀性。
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变形机制：依赖位错滑移与{112}<111 >型形变孪生协同，AC态细晶以滑移为主，强度对温度敏感，H态粗晶以孪生为主，室温至700°C保持强度。
Cr-36.1Mo-3Si在100小时循环氧化后的氧化物层微观形貌
Cr-37.2Mo AC在800°C氧化100小时后的氧化物层和近表面区域
氧化层厚度随氧化时间的变化
在压缩至约6%塑性应变时，由Cr-36.1Mo-3Si AC和H的机械测试引起的微观结构变化
在900°C下进行压缩测试，使用SEM-EBSD分析至约6%塑性应变后的孪晶
【总结与展望】
该研究首次研发出单相Cr-36.1Mo-3Si合金，同时满足了难熔金属基材料的两大关键需求：一是在至少1100°C的高温下具备抗粉化、抗氮化和氧化皮抗剥落性能，800°C循环氧化100小时质量变化极小，1100°C氧化后无崩解，二是室温下有足够压缩延展性，为高温能源转换设备中替代镍基高温合金提供新方案。