在700°C高温下，既要扛住千兆帕级拉力，又要保持近四分之一的延伸率——这曾是增材制造多组元合金难以企及的性能组合。新加坡国立大学联合香港城市大学、上海交通大学、清华大学等团队，用价电子浓度这把“钥匙”，打开了中温脆性的死锁。
一、中温脆性：增材制造高温材料的“阿喀琉斯之踵”
增材制造(3D打印)技术凭借近净成形、成分设计灵活等优势，已成为航空发动机、核电压力容器、石化高温管件等高端装备制造领域的核心技术之一。而增材制造多组元合金因兼具优异的室温强韧性和高温抗氧化性，被视为下一代高温结构材料的重要候选。
然而，一个长期存在的难题始终制约着这类合金的工程化应用：中温脆性。在600-800°C这一关键服役温度区间，合金易出现塑性骤降、晶间脆性断裂，难以兼顾可靠的延展性和高强度。
研究团队首先明确了中温脆性的两大核心诱因：
非共格脆性相作祟：中温服役过程中易析出非共格脆性D0ₐ相，与FCC基体的界面晶格失配大，成为位错运动的强壁垒，引发相界面脱粘断裂;
变形机制单一：合金基体层错能较高，仅依靠全位错滑移难以实现有效的塑性协调，中温下应变硬化能力不足。
二、科创亮点：价电子浓度引导的钴双效合金化策略
2026年3月，由新加坡国立大学、香港城市大学、南洋理工大学、上海交通大学、清华大学等单位合作的研究团队，在国际顶级材料期刊《Acta Materialia》发表最新研究成果，提出基于价电子浓度(VEC)引导的钴双效合金化设计策略，成功攻克增材制造多组元合金的中温脆性难题。
亮点一：双效调控——从电子结构到变形机制的协同设计
研究团队创新性地选择钴作为合金化元素，利用其双功能调控效应，从析出相结构稳定和基体变形能力优化两方面同时发力：
效应一：调控价电子浓度，实现析出相从非共格到共格的转变
钴的价电子浓度(9)低于镍(10)，部分取代镍可降低合金整体价电子浓度，使热力学上不稳定的非共格D0ₐ相被抑制，同时促进共格L1₂相的析出与稳定。该L1₂相为高对称纳米析出相，与FCC基体界面晶格畸变极小，即使经过700°C/192 h长时间中温退火仍能保持结构稳定，彻底消除了非共格相界面的应力集中问题。
效应二：降低基体层错能，激活多元滑移与孪生变形机制
钴合金化显著降低了FCC基体的层错能(从86.0 mJ/m²降至16.4 mJ/m²)，使基体变形方式从单一的{111}<110>全位错滑移，转变为以{111}<112>分位错滑移为主的多元变形模式，成功激活了层错、形变孪晶、层级层错网络及Lomer-Cottrell锁等多种塑性变形机制。
研究团队设计了Ni₅₇₋ₓCoₓFe₂₀Cr₂₀Nb₃(x=0,19,28.5,38)系列合金，通过激光粉末床熔合(LPBF)制备试样，系统验证了钴含量增加对析出相和变形机制的调控规律，实现了从无钴合金的中温脆性到富钴合金的中温塑性的逐步转变。
亮点二：性能突破——700°C下1032 MPa强度+24%延伸率
在700°C这一关键中温区间，研究制备的富钴多组元合金展现出远超现有材料的综合力学性能：
| 性能指标 | 实测数据 | 对比优势 |
|---|---|---|
| 极限抗拉强度 | 1032 MPa | 保持高强度水平 |
| 延伸率 | ~24% | 较无钴合金提升近6倍，是现有增材制造合金中温延伸率的5倍以上 |
| 宽温域稳定性 | 400-800°C全中温区间均保持20%以上延伸率 | 室温力学性能未受损失 |
| 氧化性能 | 断裂表面形成致密的Cr₂O₃/Nb₂O₅多层保护性氧化层 | 有效抑制氧致晶界脱粘 |
微观表征与第一性原理计算表明，富钴合金的优异性能源于共格L1₂析出相的强韧化与低层错能基体的多元变形机制的协同作用：共格析出相实现了高效强化且无应力集中，多元变形机制则保证了充足的塑性和持续的应变硬化，二者结合有效抑制了局部应力集中，延缓了微裂纹的形核与扩展。
三、应用前景：为下一代耐中温高性能结构合金设计提供新范式
1. 航空发动机关键部件
该研究直接瞄准航空发动机叶片、燃烧室部件等中温服役环境(600-800°C)的核心构件。传统镍基高温合金在此温度区间面临重量与性能的权衡，而增材制造多组元合金兼具轻量化潜力与优异中温性能，有望推动航空发动机涡轮叶片、导向叶片等关键部件的材料升级。
2. 核电压力容器与高温管道
在核电领域，压力容器和高温管道对材料的中温力学性能和长期稳定性要求极高。该合金在700°C长时间退火后仍能保持结构稳定，且中温氧化性能优异，为核反应堆结构材料的增材制造提供了全新选择。
3. 石化行业高温管件
石化行业的高温管件常年在500-800°C工况下运行，面临蠕变、氧化、腐蚀等多重挑战。该研究实现的“室温-中温”全温度范围强塑协同，可大幅提升石化装备的服役寿命和安全性。
四、产业意义：从“经验试错”到“电子结构设计”
这项研究的深层价值在于建立了价电子浓度引导的双效合金化设计方法，从电子结构、相热力学、变形机制多尺度揭示了钴合金化的调控规律。这不仅为多组元合金的中温性能优化提供了通用的设计思路，更有望推广至镍基高温合金、难熔合金等各类结构合金。
同时，该策略与增材制造的成分设计灵活性高度匹配，可直接应用于高端装备的增材制造，大幅拓展增材制造合金的中温服役范围，推动增材制造技术在高端高温结构件领域的工程化应用。
正如论文通讯作者之一、新加坡国立大学闫文韬教授所言，这项研究为“下一代耐中温高性能结构合金的设计提供了全新范式”。
来源：新加坡国立大学、香港城市大学、南洋理工大学、上海交通大学、清华大学；作者：共同第一作者——范磊博士(新加坡国立大学)、魏至成博士(新加坡国立大学)、田雨佳博士(南洋理工大学);通讯作者——闫文韬教授(新加坡国立大学)、杨涛教授(香港城市大学）；发表于：Acta Materialia(2026年3月3日)
