在航空航天、能源等領域，對能夠承受極端高溫的金屬材料需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)制造技術難以加工復雜結構的耐高溫部件，而3D打印技術又因高熱應力問題，一直難以應用于熱應力敏感金屬的制造。

近日，我國科學家在這一領域取得重大突破！由北京科技大學的科研團隊成功開發(fā)出一種可用于激光粉末床熔融技術（PBF-LB/M）的Nb-3W-2Mo-1Zr-0.1O（簡稱Nb321）鈮基合金，該合金在無需后熱處理的條件下，即可實現(xiàn)無缺陷成型，并在1600℃高溫下表現(xiàn)出*的抗軟化性能。

技術瓶頸：3D打印難以攻克的熱應力難題

增材制造（3D打�。┘夹g雖然能夠制造復雜結構的金屬部件，但其循環(huán)快速加熱和冷卻的過程會引入顯著的熱應力。對于鎢、鉬等熱應力敏感金屬及其合金，這種高熱應力會導致位錯運動受限，引發(fā)裂紋產(chǎn)生和擴展，嚴重制約了它們在高溫環(huán)境下的應用。

傳統(tǒng)解決方法如合金化或后處理熱雖然能消除缺陷，但往往會犧牲材料的高溫性能。如何在保持材料高溫性能的同時實現(xiàn)良好的可打印性，一直是該領域的重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新設計：納米氧化鋯沉淀與亞晶粒的協(xié)同作用

研究團隊通過精心設計合金成分，創(chuàng)造了一種獨特的微觀結構，*解決了這一難題。該Nb321合金具有兩大關鍵特征：

1.納米級可變形氧化鋯沉淀

在3D打印過程中，鋯和氧原子聚集形成納米尺度的氧化鋯沉淀物，這些沉淀物與鈮基體結合良好，能有效緩解熱應力。

2.高密度亞晶粒結構

合金內(nèi)部形成了大量亞晶粒，這些亞晶界能夠儲存位錯，促進穩(wěn)定的塑性流動，顯著提高了材料的應變硬化能力。

*性能：室溫高溫雙優(yōu)表現(xiàn)

室溫性能*

該3D打印的Nb321合金表現(xiàn)出優(yōu)異的室溫力學性能：屈服強度達620.5±6.7MPa，抗拉強度達714.2±4.9MPa，總延伸率為24.6±0.5%。其屈服強度比商用鍛制Nb521合金高出約65%，是標準規(guī)定*低值的兩倍。

高溫性能突破

更令人矚目的是其在極端高溫環(huán)境下的表現(xiàn)：在1600℃下，合金仍保持84.5±1.8MPa的屈服強度和92.2±5.6MPa的抗拉強度，總延伸率達32.6±2.7%。

與傳統(tǒng)鍛制合金相比，3D打印Nb321合金的加工硬化持續(xù)時間提高了七倍（84秒對12秒），表現(xiàn)出*的高溫抗軟化性能。

機制解析：高溫性能背后的科學原理

研究發(fā)現(xiàn)，該合金優(yōu)異的高溫性能源于其獨特的微觀結構特征：

晶界釘扎效應：高溫下，氧化鋯沉淀物能有效釘扎晶界，阻止晶界遷移，抑制再結晶過程。

位錯鎖定機制：晶內(nèi)氧化鋯沉淀物阻礙位錯滑移，而良好的沉淀物-基體界面可作為空位匯，阻礙位錯攀移。

相變增韌：氧化鋯沉淀物在應力作用下發(fā)生從四方相到單斜相的轉變，伴隨堆垛層錯和孿晶形成，有效容納應變，延遲斷裂。

熱穩(wěn)定性：長期高溫應用的保障

該合金在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出*的熱穩(wěn)定性，這是其實際應用的關鍵保障。

應用前景與重要意義

成本優(yōu)勢顯著

使用低成本元素粉末原料，避免了昂貴的后處理熱處理工序，相比傳統(tǒng)工藝降低制造成本約30-40%。

材料性能*

在保持優(yōu)異高溫性能的同時，實現(xiàn)了良好的室溫塑性和強度，綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有商用高溫合金。

技術突破意義

該研究*實現(xiàn)了熱應力敏感金屬的缺陷自由3D打印，為復雜結構高溫部件的制造提供了全新解決方案。

產(chǎn)業(yè)化前景廣闊

在航空航天發(fā)動機部件、核反應堆材料、高溫化工設備等領域具有廣泛應用前景，目前已與多家企業(yè)開展合作研發(fā)。

結語

這項突破性研究不僅開發(fā)出了一種具有*高溫性能的可打印鈮基合金，更重要的是為整個高溫材料領域提供了新的設計思路。通過巧妙的微觀結構設計，成功解決了3D打印技術與熱應力敏感材料之間的兼容性問題，為未來極端環(huán)境應用材料的開發(fā)指明了方向。

該研究成果已發(fā)表于材料科學*期刊《ActaMaterialia》，研究團隊來自北京科技大學、悉尼大學、昆士蘭大學等多所知名高校，*作者為陳佳男、劉暢等博士，通訊作者為陳剛、廖曉舟、鄒進、曲選輝等教授。

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