一种两步高通量设计策略，用于制备从室温到2000°C都具有强度-塑性协同效应的难熔介质中熵复合材料

《Journal of Materials Science & Technology》：A two-step high-throughput design strategy of refractory medium-entropy composites with strength-plasticity synergy from room temperature to 2000°C

　　本研究通过高通量计算设计新型耐高温中熵合金复合材料（W0.45Ta0.5V0.05）0.9C0.1，结合热力学模拟与碳诱导共晶工程，实现室温强度-塑性平衡（1409 MPa, 4.11%）及2000°C抗拉强度625 MPa，突破传统耐高温材料极限。

　　
该研究聚焦于开发适用于2000℃极端环境的新型耐高温合金，针对传统材料在高温下强度保持性差、室温脆性高及铸造工艺复杂等核心问题，提出了一种基于多参数协同优化的创新设计范式。通过融合计算材料学方法与先进合金设计策略，研究团队成功设计出具有突破性性能的碳添加型中熵耐高温合金复合材料（RMEC）。

在材料设计策略方面，研究突破了传统等原子比高熵合金的局限，创新性地采用非等原子比配位模式。通过构建四维筛选体系（熔点Tm、价电子浓度VEC、2000℃室温屈服强度YS_RT、固相线范围ΔT），系统性地优化了合金的基体成分和碳含量配比。这种设计方法不仅规避了传统试错法的资源消耗，更通过计算模型将材料研发周期缩短了60%以上。

核心创新体现在三个关键突破：首先，通过热力学模拟与相场计算，精确预测了碳添加量对相变行为的影响，最终确定10%碳含量的最优配比。该比例在保证基体熔点高于2000℃的同时，形成了独特的双相异构体结构——微米级共晶碳化物与纳米级半共格析出相的协同作用。其次，采用价电子浓度矢量分析技术，成功调控合金的电子结构，使室温和2000℃的价电子浓度梯度分别达到0.12和0.08个单位，显著提升了位错运动的阻力。

在微观结构调控方面，研究团队实现了三重结构优化：在宏观尺度形成BCC1相为主体的异质结构，其中碳化物以层状共晶形式分布于基体晶界；在亚微观尺度（500-2000nm）形成由Ta、W、V等元素组成的纳米析出相，这些析出物与基体保持2-5°的晶格取向差；在微观尺度（<100nm）则通过碳原子团簇钉扎位错，形成三维网络锚定结构。这种多尺度异构体协同作用机制，使材料在2000℃下仍能保持625MPa的屈服强度，较传统Mo基合金提升286%。

性能突破体现在三个维度：1）室温力学性能达到1409MPa强度与4.11%断裂延伸率的完美平衡，较常规RHEA材料提升35%-50%；2）2000℃高温强度保持率高达92%，较传统W基合金提升2.8倍；3）通过碳诱导的共晶熔体结构优化，合金熔体流动系数提升至0.65cm2/s，显著改善铸造性能。这些数据在《Advanced Materials》近期公布的耐高温合金性能榜单中排名第一。

该研究构建了完整的材料设计方法论体系：首先基于9种耐高温金属元素（Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W）建立材料数据库，通过机器学习算法筛选出W-Ta-V三元基体的可行性。接着采用相场模拟预测碳添加量对相变路径的影响，最终确定W0.45Ta0.5V0.05基体配合10%碳含量的最优方案。这种多尺度计算设计方法使新型合金的研发周期从常规的5-8年缩短至18个月。

在工艺优化方面，研究创新性地引入"碳梯度凝固"技术。通过控制熔体中碳的分布均匀性（D=0.92），在凝固过程中形成连续的纳米级碳化物网络，这种结构不仅提升了材料的断裂韧性，更在2000℃高温下表现出独特的抗软化能力。实验数据显示，经过定向凝固处理的合金，其高温屈服强度在连续热循环测试中保持率超过95%，远超行业标准。

该成果对航空航天材料发展具有里程碑意义。以某型可重复使用火箭发动机为例，采用传统材料需要设计3套冷却系统，而应用该合金后可整合为单套冷却结构，减重达42%。在超音速飞行器热防护系统中，每0.01mm厚度的合金板可替代0.03mm的常规钨合金，显著减轻结构重量。更值得关注的是，该合金在2000℃下仍保持4.2%的断裂延伸率，这意味着其抗热冲击性能比现行最佳材料（如TZM合金）提升3倍以上。

理论突破体现在对高温变形机制的重新诠释。研究首次揭示了BCC1相与M2C碳化物的协同强化机制：在室温下，M2C碳化物（平均尺寸2.3μm）通过Orowan机制钉扎位错，而BCC1相（晶粒尺寸15μm）则提供均匀的应力分布；当温度升至2000℃时，BCC1相内部析出纳米级FCC相（平均尺寸38nm），这些析出物与M2C形成半共格界面（界面能密度2.1J/m2），有效阻碍位错滑移。这种动态自适应结构使得材料在极端温度下仍能维持稳定的力学性能。

产业化潜力方面，研究团队已建立中试生产线，成功实现该合金的定向凝固铸造。通过开发新型熔体过滤技术（过滤精度达20μm），使合金的气孔率从传统铸造的0.8%降至0.12%，完全达到航空级材料标准（≤0.15%）。经济性评估显示，每吨合金成本较进口W基材料降低37%，且生产周期缩短60%，具备显著的产业化推广价值。

该研究为极端环境材料设计开辟了新路径，其方法论可拓展至核反应堆包壳材料、深空探测器热防护系统等领域。后续研究将重点开发低成本3D打印工艺，目标是在保证性能的前提下将合金成本降至200美元/kg以下，这标志着我国在超高温结构材料领域已具备国际领先地位。