一种耐高温氧化的柔韧铬钼合金

目前，在高温应用中用新型金属-金属间化合物材料替代先进的镍基高温合金以提高能量转换系统效率，受到两个主要限制的阻碍：（1）缺乏抗氧化性和/或（2）缺乏室温延展性。目前对这两种性能均无精确的预测模拟能力，因此研究界仍依赖突破性观察。

例如，钼（Mo）及其大多数合金在500°C以上会发生灾难性氧化（“粉末化腐蚀”，一种高温下材料因氧化而粉化的腐蚀现象），因氧化生成三氧化钼（MoO₃），而MoO₃因蒸气压高会蒸发。相比之下，铬（Cr）通常被认为是形成致密三氧化二铬（Cr₂O₃）氧化皮的钝化元素。然而，铬基合金在超过约1000°C的高温空气中暴露时，会出现氧化皮剥落和氮化（材料在高温下与氮反应生成氮化物的过程）现象。以往在这些合金体系中解决抗氧化性的尝试，都伴随着室温延展性的显著下降。这些尝试包括开发高铝含量和高铬含量的复杂浓缩难熔元素基合金，它们具有单相微观结构，即使在高达1500°C的温度下也表现出极强的抗氧化性。但添加铝会促进晶体有序化，导致室温下完全失去延展性。此外，还引入了含有大量含钝化元素的金属间化合物相的合金。这些金属间化合物相（如硅化物）本质上是脆性的。特别是铬-钼-硅（Cr-Mo-Si）双相硅化物合金已被证实具有抗粉末化腐蚀和氮化的能力。在这些情况下形成的Cr₂O₃层的保护作用，关键取决于在外部Cr₂O₃氧化皮与金属基体界面处形成硅的氧化物。

为此，研究人员通过电弧熔炼合成了成分为Cr-36.1Mo-3Si（原子百分比）的单相（Cr,Mo,Si）固溶体，其Cr/Mo原子比为1.7，与先前报道的合金相似。3原子百分比的硅旨在形成固溶体以避免硅化物形成，这一选择与实验验证的固溶体硅含量一致。此外，还合成了相同Cr/Mo比的无硅版本Cr - 37.2Mo（原子百分比），以揭示硅在氧化皮形成和钝化中的作用。

微观结构方面，扫描电子显微镜背散射电子图像显示，两种合金铸态时均为枝晶结构；Cr-36.1Mo-3Si经1600°C均质化热处理48小时后，枝晶消失但晶粒显著粗化至超过500μm。X射线衍射证实所有合金均为单相体心立方（bcc）钨型结构（结构报告代号A2），无次生相（特别是无硅化物），晶格参数约3.00Å，密度约8.3g/cm³。

宏观性能测试表明：在氧化性能上，无硅Cr-37.2Mo在800°C氧化时持续失重，100小时后比质量变化为-8.1±1.8mg/cm²；1100°C时短时间内即粉化。而Cr-36.1Mo-3Si无论铸态还是均质化态，在800°C氧化100小时后比质量变化极小（铸态+0.07±0.04mg/cm²，均质化态+0.04±0.08mg/cm²），形成深色氧化皮；1100°C时虽比质量变化复杂（铸态-3至-4mg/cm²，均质化态+1.1±0.4mg/cm²），但样品均保持完整，未粉化。这表明硅的添加显著改善了合金在800°C和1100°C下的抗氧化性，且无需高体积分数硅化物相。

力学性能方面，压缩试验显示，Cr-36.1Mo-3Si铸态在室温下1%塑性应变屈服强度约1100MPa，900°C时仍达760MPa；室温压缩最大应力下塑性应变为9 - 15%（铸态）和4 - 6%（均质化态），即使施加>15%塑性应变也未粉化。变形过程中出现锯齿状流动，这与形变孪生有关。高加工硬化能力（真加工硬化率>真应力）是其潜在拉伸延展性的基础。

微观机制研究发现：氧化时，Cr-36.1Mo-3Si表面形成连续薄Cr₂O₃氧化皮，氧化皮下因Cr向外扩散形成Mo富集层（可阻碍氮化），原子探针断层扫描证实Cr₂O₃与基体界面处有SiO₂。这些共同作用使合金抗氧化。变形时，位错滑移和{112}<11-1>型形变孪生共同作用，孪生导致应力锯齿状下降，且在室温至900°C范围内均活跃，有助于加工硬化和延展性。

该研究表明，Cr-36.1Mo-3Si单相合金通过优化Cr、Mo、Si比例，实现了高温抗氧化性与室温延展性的结合，为难熔元素基材料在高温能量转换系统中的应用开辟了新途径。未来可通过热机械处理、晶粒尺寸调控等进一步优化性能。