儘管目前學界已提出多種可再生能源方案，且全面實用化前景令人期待，但像長途飛行的飛機等耗能大戶，至少在未來20至30年內仍有需求，因此，從環境保護層面考量，提升使用化石燃料的發動機與燃燒器的燃燒效率，依舊是一項重要的研究課題。為實現這一目標，需要研發出能在比現有鎳基超合金更能耐受嚴苛使用環境的新型材料。鉻、鉬等高熔點的耐火金屬及其合金，是極具潛力的候選材料，但鉻在高溫下的抗氮化性能欠佳，鉬在中高溫下的抗氧化性能較差，這些都是實際應用中面臨的大問題。合金化雖能在一定程度上規避這些問題，但會出現「性能權衡」（trade off）現象，即改善高溫抗氧化與抗氮化性能的同時，室溫下的變形能力與斷裂韌性會降低。因此，當前亟需確立一套合金設計指南，在提高高溫抗氧化與抗氮化性能的同時，兼具高強度與高延展性，獲得可應用於高溫結構的新型耐火金屬合金。
圖1 通過添加Si（硅），可促使合金形成發達的樹枝狀晶體結構（枝晶組織），從而實現高強度化，同時，強度的提高會誘發變形孿晶的形成，使得材料在室溫下也具備足夠的變形能力。添加Si還能使合金表面生成富含Si的氧化膜，從而顯著提高抗氧化性能。
此外，通過控制氧化環境，使得Cr始終優先於Mo發生氧化反應，從而賦予合金卓越的抗氧化性。（供圖：京都大學）
日本京都大學大學院工學研究科的乾晴行教授，與德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruher Institut für Technologie）的M. Heilmaier教授、德國DECHEMA研究所的M. Galetz教授組成的研究團隊，在前期研究成果的基礎上，將目光聚焦於有望同時提升高溫抗氧化與抗氮化性能的Cr-Mo合金上，通過實驗驗證了Cr/Mo比例與添加Si的效果，成功研發出一種兼具高強度與高延展性的新型合金，並確立了新的合金設計方針。
這些結果表明，藉助戰略性的合金設計，不僅能夠促使形成優良的抗氧化膜結構，還能在控制耐火金屬合金特性方面發揮巨大威力。
此外，該戰略性合金設計還能實現與強化效果直接相關的合金組織結構調控。基於該發現，通過採用結合元素策略的合金設計方法，有望催生新一代高溫結構材料——新型耐火金屬合金。相關研究成果已發表在雜誌《Nature》的網路版上。
乾晴行教授表示：「本研究成功研製出的是Cr-Mo-Si三元合金，但通過此次開發合金的過程確立了一種全新的合金設計方法，不僅通過實驗，更要藉助實驗與計算相結合的融合式新方法，加快研究進度，從而更迅速地應用這套設計方法，為材料科學和社會發展做出貢獻。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature
論文：A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high temperature oxidation
DOI：10.1038/s41586-025-09516-8
