突破3D打印瓶颈！我国科学家研制出耐1600℃高温的铌合金，性能提升七倍

在航空航天、能源等领域，对能够承受极端高温的金属材料需求日益迫切。然而，传统制造技术难以加工复杂结构的耐高温部件，而3D打印技术又因高热应力问题，一直难以应用于热应力敏感金属的制造。

近日，我国科学家在这一领域取得重大突破！由北京科技大学的科研团队成功开发出一种可用于激光粉末床熔融技术（PBF-LB/M）的Nb-3W-2Mo-1Zr-0.1O（简称Nb321）铌基合金，该合金在无需后热处理的条件下，即可实现无缺陷成型，并在1600℃高温下表现出*的抗软化性能。

技术瓶颈：3D打印难以攻克的热应力难题

增材制造（3D打印）技术虽然能够制造复杂结构的金属部件，但其循环快速加热和冷却的过程会引入显著的热应力。对于钨、钼等热应力敏感金属及其合金，这种高热应力会导致位错运动受限，引发裂纹产生和扩展，严重制约了它们在高温环境下的应用。

传统解决方法如合金化或后处理热虽然能消除缺陷，但往往会牺牲材料的高温性能。如何在保持材料高温性能的同时实现良好的可打印性，一直是该领域的重大挑战。

创新设计：纳米氧化锆沉淀与亚晶粒的协同作用

研究团队通过精心设计合金成分，创造了一种独特的微观结构，*解决了这一难题。该Nb321合金具有两大关键特征：

1.纳米级可变形氧化锆沉淀

在3D打印过程中，锆和氧原子聚集形成纳米尺度的氧化锆沉淀物，这些沉淀物与铌基体结合良好，能有效缓解热应力。

2.高密度亚晶粒结构

合金内部形成了大量亚晶粒，这些亚晶界能够储存位错，促进稳定的塑性流动，显著提高了材料的应变硬化能力。

*性能：室温高温双优表现

室温性能*

该3D打印的Nb321合金表现出优异的室温力学性能：屈服强度达620.5±6.7MPa，抗拉强度达714.2±4.9MPa，总延伸率为24.6±0.5%。其屈服强度比商用锻制Nb521合金高出约65%，是标准规定*低值的两倍。

高温性能突破

更令人瞩目的是其在极端高温环境下的表现：在1600℃下，合金仍保持84.5±1.8MPa的屈服强度和92.2±5.6MPa的抗拉强度，总延伸率达32.6±2.7%。

与传统锻制合金相比，3D打印Nb321合金的加工硬化持续时间提高了七倍（84秒对12秒），表现出*的高温抗软化性能。

机制解析：高温性能背后的科学原理

研究发现，该合金优异的高温性能源于其独特的微观结构特征：

晶界钉扎效应：高温下，氧化锆沉淀物能有效钉扎晶界，阻止晶界迁移，抑制再结晶过程。

位错锁定机制：晶内氧化锆沉淀物阻碍位错滑移，而良好的沉淀物-基体界面可作为空位汇，阻碍位错攀移。

相变增韧：氧化锆沉淀物在应力作用下发生从四方相到单斜相的转变，伴随堆垛层错和孪晶形成，有效容纳应变，延迟断裂。

热稳定性：长期高温应用的保障

该合金在高温环境下表现出*的热稳定性，这是其实际应用的关键保障。

应用前景与重要意义

成本优势显著

使用低成本元素粉末原料，避免了昂贵的后处理热处理工序，相比传统工艺降低制造成本约30-40%。

材料性能*

在保持优异高温性能的同时，实现了良好的室温塑性和强度，综合性能优于现有商用高温合金。

技术突破意义

该研究*实现了热应力敏感金属的缺陷自由3D打印，为复杂结构高温部件的制造提供了全新解决方案。

产业化前景广阔

在航空航天发动机部件、核反应堆材料、高温化工设备等领域具有广泛应用前景，目前已与多家企业开展合作研发。

结语

这项突破性研究不仅开发出了一种具有*高温性能的可打印铌基合金，更重要的是为整个高温材料领域提供了新的设计思路。通过巧妙的微观结构设计，成功解决了3D打印技术与热应力敏感材料之间的兼容性问题，为未来极端环境应用材料的开发指明了方向。

该研究成果已发表于材料科学*期刊《ActaMaterialia》，研究团队来自北京科技大学、悉尼大学、昆士兰大学等多所知名高校，*作者为陈佳男、刘畅等博士，通讯作者为陈刚、廖晓舟、邹进、曲选辉等教授。

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