就在不久前，西工大在高温合金领域取得了显著突破。这一成果对我国航空航天事业带来深远影响。随着航空航天技术的不断创新，对材料的要求也在不断提高。铌合金因其优异的高温耐受性和力学特性，成为研究的重点。研究团队通过中国空间站提供的微重力环境，成功揭示了铌合金的关键物理特性，实现了对其微观组织结构与宏观形态的精确调控。自2021年9月起，三批铌合金样品搭乘天舟系列货运飞船进入空间站，航天员们的精心操作与团队的紧密合作，共同完成了加热、熔化、凝固等一系列复杂实验，为材料科学领域带来了全新的认知。本期内容我们就来聊聊这次突破会带来哪些影响。

铌是一种极具潜力的耐高温金属，原子序数41，熔点高达2477摄氏度。正因为铌在高温环境下表现出的稳定性，它逐渐成为高温合金的重要组成元素。通过将铌与其他元素结合，能够形成兼具耐高温、耐腐蚀和优异力学性能的铌基合金，这种合金在上千度的高温环境中仍然能够保持强度和韧性，因此超高温合金主要应用于航空发动机的核心部件，尤其是涡发动机。在涡扇发动机中，最关键的部件之一是高压涡轮，它承受着极端苛刻的工作条件。以典型的高压涡轮为例，它在每分钟超过10,000转的情况下运行，环境温度高达1800摄氏度。这种极端条件下，普通材料根本无法胜任，超高温合金因此成为了关键选择。目前常用的超高温合金除了铌合金之外，还包括钴基、钼基、镍基合金等。

以镍基合金为例，它已成为航空发动机高温部件的主要材料，然而，随着技术需求的提高，尤其是未来第六代战斗机对发动机性能的极端要求，现有的合金材料已逐渐逼近其性能极限。第六代战斗机的下一代发动机的理论推重比可能超过15，意味着高压涡轮的进气温度将进一步攀升，预计会达到2100摄氏度以上。这一温度已经远超传统高温合金的熔点，显然，突破超高温合金的技术瓶颈已经成为实现下一代航空发动机的必由之路。对于超高温合金来说，耐高温只是基础要求，要满足未来航空发动机的严苛需求，还有三个关键指标必须兼顾：首先是高温强度：高温环境下，材料的强度必须保持稳定。传统金属材料在高温下会变软，但超高温合金在2000度以上的环境中依然不能软化，必须保持足够的硬度和强度以应对涡轮高速运转产生的巨大离心力和热应力。其次是室温韧性：许多耐高温的材料，如陶瓷，在常温下却表现出极大的脆性，容易因机械冲击而破碎。对于航空发动机而言，叶片不仅要在高温下保持强度，在常温下也需要具备足够的韧性，以承受复杂的机械应力。

最后是高温抗氧化性：这是超高温合金材料面临的最大挑战之一。在极高温环境中，金属表面极易与空气中的氧气发生反应，生成氧化物。以铁为例，在高温锻造时，常见的氧化铁皮就是这种反应的结果。而航空发动机的涡轮叶片在2000多度的高温中运行，要求其表面几乎不与氧气发生反应，否则会导致材料腐蚀和性能退化。超高温合金材料的研发难度不仅体现在材料本身的性能上，还在于其复杂的加工要求。以高压涡轮叶片为例，这一关键部件的剖面形状必须完全符合空气动力学的翼型曲线，同时叶片内部还设计有复杂的冷却通道，利用低温空气在叶片内部循环以实现散热。要将超高温合金材料加工成符合精确几何要求的复杂结构，同时确保其内部结构的完整性和一致性，必须对超高温合金材料进行深入的分析和研究。然而，在地面条件下研究两三千摄氏度的金属物理特性极为困难，甚至连合适的实验容器都难以找到。即使有能承受高温的容器，与实验材料接触的表面也可能在高温下发生反应。

科学家们意识到，在地面上研究超高温合金存在许多挑战，但太空的微重力环境为解决这些问题提供了新思路。在微重力条件下，铌合金可以悬浮在容器中，完全避免与容器表面的接触。通过微波或电磁感应加热，科学家们能够将其加热至两三千摄氏度，从而彻底消除容器的耐高温限制和样本污染的困扰。正因如此，自2021年9月起，西工大的科研团队开始将超高温合金的实验样品送入中国空间站进行研究。天舟三号、天舟四号和天舟五号货运飞船分别携带了三批实验样品进入太空，其中包括36种不同配方的铌合金。这些实验在空间站的“高温材料科学实验柜”和“无容器材料实验柜”中进行，在航天员的操作下，研究团队获得了大量宝贵的实验数据，涵盖了铌合金在微重力环境下的加热、熔化、冷却、过冷和凝固等物理过程。这些实验结果不仅验证了铌合金在高温环境下的优异性能，还为未来航空发动机叶片的制造提供了重要的理论与技术支撑。

除了铌合金的研究，空间站上的实验还涉及锆合金。锆因其低热中子吸收截面和出色的耐腐蚀性能，已成为核反应堆燃料棒外壳的理想材料。从2021年开始，不同配方的锆合金被陆续送上中国空间站进行实验。科学家们在研究中发现，在微重力条件下，锆合金的内部组织结构发生了特殊变化，甚至出现了全新的漩涡状结构。这一发现为未来核电站、核动力航母和核潜艇的设计提供了新思路，使这些装备的安全性和可靠性得到进一步提升。锆合金的应用不仅限于核领域，它在生物医疗方面也有广阔前景。

锆合金因其耐磨、耐腐蚀的特点，被广泛用于制造人造关节。在太空实验中发现的新组织结构，有望进一步提升锆合金在医疗领域的表现，从而为患者提供更好的治疗选择，未来有望造福更多病患。此次西工大的研究成果，不仅为新一代航空发动机的设计提供了重要材料支撑，也为我国第六代战斗机的研发铺平了道路。随着研究的深入，高温合金将在更多领域展现其独特的优势。对此，你们怎么认为呢？欢迎大家踊跃讨论，感谢大家观看，我是探索宇宙，我们下期再见。