近日，大連交通大學的呂云卓教授團隊聯合南加州大學的陳文教授團隊、紐約州立大學陳偉教授團隊，在超高溫結構材料研發領域取得了重要進展。相關研究成果以“High-throughput discovery of ultrahigh-temperature multi-principal element alloys by combinatorial additive manufacturing”為題發表在《Nature Communications》上，系統報道了通過激光增材制造技術快速篩選W-Re-Os體系多主元合金。所開發的合金在室溫下展現出約1.8 GPa的超高屈服強度和9%的壓縮塑性，同時在1400℃高溫下仍能保持約1.4 GPa的屈服強度，并具備顯著的應變硬化能力，性能遠超目前已報道的其他高溫合金，為航空航天、核能等領域關鍵部件材料升級提供新方案，同時為超高溫合金的高效研發開辟了全新的途徑。
該論文大連交通大學王瑋琦和南加州大學劉健為共同第一作者，大連交通大學呂云卓教授與南加州大學陳文教授為通訊作者，研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-67301-7
在航空發動機渦輪葉片、核反應堆核心部件等極端環境應用中，材料需同時具備超高強度、抗熱軟化能力與室溫塑性，而現有材料面臨性能“難以兼顧”的困境。傳統鎳基高溫合金在1000℃以上易快速軟化，無法滿足更高溫度需求；已有的難熔多主元合金雖耐高溫，但大多存在室溫脆性大、熱穩定性不足等問題，且傳統“試錯法”研發周期長、成本高，難以高效篩選最優成分。
針對這一難題，研究團隊創新采用“激光增材制造高通量篩選”技術，突破傳統材料研發范式。該技術通過獨立控制鎢（W）、錸（Re）、鋨（Os）三種熔點超3000℃的難熔金屬粉末進給速率，在短時間內即可制備包含約500個不同成分的塊狀合金樣品庫，覆蓋整個三元相圖，將候選合金制備效率提升數百倍。
研究團隊從材料設計、制備到表征全鏈條創新，構建“高效篩選-精準調控-機制解析”的研發體系，最終鎖定最優成分W42Re30Os28合金，其性能表現遠超現有高溫合金，具體為：
室溫性能優異：室溫下屈服強度達1.83±0.03 GPa，同時保持9.0±0.5%的壓縮塑性，解決難熔合金“高強度與高塑性難以共存”的痛點；
高溫性能穩定：在1400℃極端溫度下，仍能維持1.38±0.02 GPa的高屈服強度，并具備顯著的應變硬化能力，遠超鎳基高溫合金及其他難熔多主元合金；
微觀結構可控：該合金形成獨特的雙相亞共晶組織，由六方密堆積（HCP）固溶體與ReW型體心四方（BCT）金屬間化合物構成，通過基底滑移、非基底滑移、形變孿生及異質變形誘導幾何必需位錯等多重變形機制，協同實現強度與塑性的平衡。
除此之外，為精準篩選最優成分，團隊還引入“逼近理想解排序法（TOPSIS）”，綜合考量1000℃高溫硬度、硬度保留率及室溫壓痕堆垛高度三大指標，從約500個候選成分中高效鎖定性能最優的合金區域，為多性能目標材料篩選提供科學方法。
所開發WReOs合金體系的優異性能，使其在航空航天、核能等極端環境領域展現出巨大應用潛力。例如，在新一代航空發動機中，可用于制造承受超高溫的渦輪葉片、燃燒室部件，提升發動機推重比與服役壽命；在核能領域，有望作為核反應堆包殼材料或高溫結構件，耐受強輻射與超高溫雙重極端條件。
此外，該研究建立的“增材快速制造+高通量表征+多目標篩選”技術框架，打破傳統難熔合金研發效率低、成本高的局限，為其他極端環境材料（如抗腐蝕、抗輻射合金）的快速開發提供可推廣的范式。
圖1：WReOs 體系的設計思路與高通量制備策略
圖2：WReOs合金體系高通量篩選及微觀結構表征
圖3：展示所開發WReOs合金體系優異室溫、高溫性能
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