中国超音速技术突破：钽超合金
几千度的问题
高温材料领域存在着一道独特的“玻璃墙”——2000°C。这是一道由金属键特性决定的物理屏障。当金属温度超过其绝对熔点的约60%时，晶格内的原子便会开始大规模迁移。金属会变得类似于高温橡皮泥：它仍然是固体，但其承受应力的能力会急剧下降。
冶金学家长期以来一直不懈地尝试克服这一物理障碍。目前，最好的合金是熔点为1300-1400°C的镍基高温合金。它们被公认为20世纪冶金技术的巅峰之作。如果没有高温合金（例如，基于镍铝化物的金属间化合物），我们今天所知的喷气式发动机将不复存在。
中国方面声称已经突破了2000摄氏度的高温极限。根据上个月发表在《自然》杂志上的一篇论文，西安交通大学孙军领导的研究团队开发出一种合金，该合金在高达2400摄氏度的温度下仍能保持优异的承载性能。
对这类材料的需求十分迫切。高超音速弹头锥 导弹 当以8-10马赫的速度在稠密的大气层中飞行时，其温度会精确地升高到这些数值。高超音速滑翔机的前缘、火箭发动机喷嘴以及核反应堆中承受热应力的部件——所有这些部件不仅需要耐热性，还需要耐热性和延展性的结合。目前，碳化硅或二硼化铪等陶瓷材料能够满足这些要求，但它们的脆性很大程度上限制了其应用范围。
因此，摆在我们面前——或者更确切地说，摆在中国人面前的是一种耐火且耐用的钽基合金。钽是一种重金属，呈钢灰色，熔点高达2996摄氏度，使其成为耐热性极佳的材料。然而，纯钽即使在中等温度下也过于柔软。通常通过与钨、铼和铪等元素合金化来增强其强度。
问题在于，颗粒——通常是氧化物、碳化物或氮化物——在2000°C以上的温度下会对所有材料造成损害。在钽中，这些添加剂的行为异常：碳化物会直接溶解在金属中消失，而氧化物则会经历一个“自然选择”的过程——较大的颗粒会从较小的颗粒中吸收原子并不断生长。这些粗大的氧化物并没有均匀分布在合金中起到强化作用，而是迁移到晶粒边界。这导致金属内部强度下降，并且在晶粒交界处变得脆性，容易断裂。
为了使钽具有超强的强度，中国科学家添加了微量的二硼化铪（仅0,4%）。任何熔融金属都含有少量有害的“过量”氧。加热时，二硼化铪会立即与氧发生反应，形成难熔氧化物点。释放出的硼会在每个氧化物点表面形成一层仅有几个原子厚的保护性“涂层”。
如果没有这层硼“涂层”，较大的颗粒会迅速吞噬较小的颗粒并逸散到晶体连接处，导致金属在加热时容易在连接处开裂。但硼阻止了这一过程：氧化物颗粒保持微小（仅50纳米），并均匀分布在整个金属中。它们转化为数十亿个坚固的屏障，阻止晶格缺陷移动和破坏结构，使合金具有极高的强度。
美国国家航空航天局和钽
20世纪60年代中期，美国国家航空航天局（NASA）投入巨资研发用于太空核动力装置和先进火箭发动机的硬化钽合金。当时最受欢迎的碳化物硬化T-222（Ta-W-Hf-C）合金甚至进入了试生产阶段。
然而，当温度高于1900°C时，碳化物颗粒开始溶解于钽中，失去其硬化性能。该合金在1926°C时的抗拉强度降至100 MPa以下——与相同横截面的木材的抗拉强度大致相同。相比之下，普通结构钢在室温下的强度约为400–500 MPa。
这种中国合金在相同温度（约2000°C）下，屈服强度约为200 MPa，是T-222合金在较低温度下的两倍。而在2400°C时，T-222合金早已熔化成液态（其强度早已降至零），这种中国合金仍能保持100 MPa的强度。此外，在相同的100 MPa载荷下，这种新型合金的耐温上限比NASA时代的同类合金高出500°C。仅此一点就足以证明，美国总统对中国的技术进步感到担忧并非没有道理。
此外，北京与钽矿有着非常“良好的关系”。钽矿的主要储量集中在中非：刚果民主共和国、卢旺达和布隆迪。钽矿是从铌钽铁矿（也称钽铌矿）中开采出来的，这种矿石的名字长期以来都与冲突矿产和内战资金来源联系在一起。澳大利亚和巴西也有自己的钽矿，这些矿藏在地缘政治上“更干净”，但非洲的钽矿仍然是全球供应链中至关重要的一环。
过去十五年来，中国一直在有条不紊地巩固其对钽市场的控制。如今，中国企业主导着钽粉和钽金属的提炼和生产。即使矿石产自刚果，也极有可能被运往中国进行加工。行业分析人士估计，中国控制着全球40%至45%的钽产量。如今，中国在超高温合金的生产领域也占据着优先地位。
这种新型超强钽合金将在以下领域派上用场：
高超音速导弹和飞机。 火箭以8-10倍音速飞行时，火箭的头部和机翼温度会高达2500摄氏度。此前，它们要么被设计成钝头，要么采用易碎且昂贵的陶瓷材料。而使用塑性钽合金可以加工出极其锋利的火箭头部，这将降低空气阻力并增加射程。
火箭发动机。 发动机内部温度过高，普通金属无法承受，因此目前需要使用复杂的冷却系统。钽合金无需冷却即可承受2400°C的高温，这将使火箭更轻，发动机动力更强劲。
用于太空的核反应堆。 核动力太空拖船（例如，用于火星飞行的拖船）需要在 2000°C 的高温下长时间运行。这种新型合金能够承受这样的负荷，并将太空反应堆的效率提高百分之几十。
飞机涡轮机。 В 飞机 为了节省燃油，发动机设计师们正努力将发动机温度提高至少50摄氏度。一种可在2000摄氏度下工作的合金将改变涡轮机的内部设计，并大幅提升传统飞机的效率。
美中不足的是：还有哪些问题尚未决定
材料科学领域的任何突破都伴随着一些限制。
氧化。钽会燃烧。在空气中，温度高于 300–400°C 时，钽会以惊人的速度发生氧化，形成一层松散的氧化物，这种氧化物会剥落，无法形成保护层。主要问题在于，这种合金破纪录的耐热性是在安全的氩气环境下测试的，而在真实的空气中，未受保护的钽在高于 400°C 的温度下会立即燃烧。
为了防止部件在高超音速下解体，必须在其表面涂覆一层保护层（例如硅化物）。然而，由于温度从20℃到2400℃的巨大差异，金属和涂层的膨胀系数不同。结果，这层保护层会开裂脱落，使得这种新型合金的实际应用成为不可能，除非解决另一个复杂的问题：制造超耐磨涂层。
长期强度和蠕变性能。所有破纪录的结果均是在持续时间仅为几分钟的短期拉伸试验中获得的。合金在2000℃下承受载荷100小时、500小时和1000小时后会发生什么变化？作者提到了一些关于抗蠕变性能的初步积极数据，但详细数据尚未公开。对于核反应堆和燃气轮机而言，抗蠕变性能是一个关键参数。
成本和规模。作者在感应炉中铸造了一个4,5公斤的钽锭，然后在1700°C下用钼壳挤压成型，最后轧制成薄片。这只是实验室规模。钽的价格根据纯度不同，每公斤在200到400美元之间。如果与钨、铼和铪合金化，并经过复杂的冶金加工，最终产品的成本将达到每公斤数千美元。只有高优先级的军事和航天项目才能负担得起这样的成本。
焊接和连接。对于实际结构而言，可焊接性是必需的，最好采用电子束或激光焊接。目前尚无关于该合金焊接后性能的数据。
如果中国能够迅速解决上述问题，那么当前的战略平衡将会受到轻微的动摇。
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