武汉大学付磊团队，最新Nature Materials！

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编辑丨风云

研究背景

难熔金属（如钨、铼、钼等）因其极高的熔点和卓越的稳定性，在航空航天、核能等需要承受极端温度和复杂应力环境的领域具有巨大的应用潜力。

关键问题

目前，难熔金属加工主要存在以下问题：

1、高温加工导致晶粒粗化严重

传统冶金工艺（如熔铸、热压烧结等）通常需要在超过2000°C甚至3000°C的极高温度下长时间运行，这极易引发晶粒异常生长，导致材料力学性能恶化，难以获得理想的超细晶结构。

2、原子扩散受限阻碍低温致密化

难熔金属极高的键合强度限制了原子的迁移与重组能力，使得在温和温度下实现材料的完全致密化变得极其困难，现有的制备方法往往难以同时兼顾高密度和微观结构的精准控制。

新思路

有鉴于此，武汉大学付磊教授等人展示了液态金属可以稀释这种电子密度并削弱键合强度，从而实现难熔金属原子的有效提取、溶解和重组。该策略允许在显著较低的温度（<1000 °C）和极短的时间（约2分钟）内制造大块难熔材料。利用这种液态金属辅助烧结机制，作者成功烧结了多种难熔金属块体（包括W、Re、Ta、Nb、Mo、V、Cr和Ti），实现了具有优异屈服强度的等轴超细晶微观结构。这种温和的制备条件还为生产合金、梯度结构和弥散强化材料提供了高度灵活性，代表了开发高性能难熔结构材料的重要里程碑。

技术方案：

1、提出了液态金属诱导键软化（LMIBS）策略

作者提出液态金属诱导键软化策略，利用液态金属加速原子迁移重组，降低烧结温度约70%，抑制异常晶粒生长，保持高结晶度单相结构，适用于多种难熔金属。

2、探讨了该工艺对材料性能的提升

作者以铼为例验证LMIBS技术，2分钟完成烧结，密度超95%，晶粒尺寸维持380 nm，拉伸屈服强度达1190 MPa，远超已知材料，通用性强，节能高效。

3、阐明了液态金属促进难熔原子融合机制

作者结合DFT和MD模拟揭示机理，镓引入削弱难熔金属键合强度约50%，溶解原子优先沉积间隙位点驱动快速融合，液态金属"溶解-介导"克服扩散限制，实现了均匀微观结构。

4、展示了可调成分设计与大规模制造潜力

作者展示了LMIBS框架扩展性，成功制备了Re-Mo合金、成分梯度材料和弥散强化合金，支持协同共烧结批量生产，打破性能与效率权衡，为航空航天和核能领域开辟了新途径。

技术优势：

1、首次提出了液态金属诱导键软化（LMIBS）策略

研究利用液态金属稀释难熔金属的离域电子密度，从根本上削弱了原子间的金属键强度，将烧结温度降低至1000°C以下（约为熔点的30%），并实现分钟级的超快致密化。

2、实现了超强超细晶难熔金属的通用制备

该方法适用于几乎所有常见的难熔金属元素（如W, Re, Mo等），制备出的块体材料具有均匀的等轴超细晶结构，且其屈服强度（如铼达到1.19 GPa）显著超越了传统工艺制备的同类材料。

技术细节

LMIBS烧结策略与制备流程

本研究提出的液态金属诱导键软化（LMIBS）策略，核心在于利用液态金属作为反应媒介，加速原子的提取、溶解、迁移和重组。制备过程分为三个关键步骤：首先，通过冷单轴压制将难熔金属粉末压成生坯，增加颗粒接触点；其次，在生坯表面均匀涂抹少量液态金属（如镓），并进行短时间预热（<800°C）以促进液态金属沿晶界渗透；最后，对渗透后的样品进行超快升温和降温烧结。实验结果显示，液态金属能有效填充颗粒间的间隙并改善空间排列，在烧结后形成明显的烧结颈，实现致密化。随后，残余的液态金属会偏析至表面，可通过盐酸浸泡轻松去除。该方法不仅适用于纯金属（W, Re, Ta, Mo, Nb, Ti, V, Cr），且由于烧结温度显著降低（比熔点低约 70%），能够有效抑制高温下的异常晶粒生长，保持了粉末原始的高结晶度单相结构。

图  LMIBS烧结法制备难熔金属块体的典型工艺及样品

超强难熔金属块体的微观结构与力学性能

研究者以铼（Re）为例，深入探讨了该工艺对材料性能的提升。相比传统冶金方法长达数小时甚至数天的耗时，LMIBS技术仅需约2分钟即可完成。微观表征显示，烧结后的块体材料密度通常超过95%，且平均晶粒尺寸几乎保持不变（维持在约380 nm的超细晶水平），而传统热压烧结会导致晶粒增长近70%并超过1 μm。力学测试表明，经过退火处理的Re样品展现出惊人的性能，其0.2%偏移拉伸屈服强度达到1,190 MPa，远高于目前所有已知的Re块体材料以及其他先进纯金属材料。此外，该方法在钛（Ti）和钨（W）等系统中也展现了极佳的通用性，均能保持细小的晶粒分布并提供优异的屈服强度。这种超快、低温的烧结工艺在不牺牲微观结构控制的前提下，极大地降低了能源消耗，同时保持了材料的力学完整性。

图  稀土块体的结构表征和力学性能

液态金属在烧结中的机制作用分析

为了阐明液态金属如何促进难熔原子融合，研究团队结合了密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟。DFT计算显示，引入镓（Ga）原子后，系统的电子分布会更倾向于局域在Ga原子周围，导致离域自由电子减少，从而削弱了难熔金属原子间的键合强度。定量分析发现，Re-Ga系统的金属键强度（MBS）比纯铼降低了约50%。MD模拟则进一步揭示了原子级的动态过程：溶解的难熔原子会优先沉积在间隙位点，这种重组构型比初始状态更稳定（能量优势达0.61 eV），从而驱动了纳米颗粒的快速融合。在模拟过程中，随着融合的进行，间隙区域的Ga原子会被逐渐挤出，这也解释了为何最终产品中仅含痕量Ga。实验和理论共同验证了液态金属通过“溶解-介导”过程克服了扩散限制，是实现均匀微观结构和防止晶粒粗化的关键。

图  难熔金属LMIBS方法的机理分析

可调成分设计与大规模制造潜力

该框架展示了极强的扩展性，可用于制造各种复杂结构的难熔材料。在成分调控方面，通过改变粉末混合物的体积比例，研究者成功制备了具有均匀晶粒分布的Re-Mo合金、具有HCP相和BCC相异质结构的成分梯度材料，以及均匀分散碳化钨（WC）纳米颗粒的弥散强化（CDS）合金。传统方法在高温下容易导致碳化物团聚，而LMIBS策略避免了这一问题，为开发耐极端热环境和辐射的堆芯材料提供了方案。在制造效率方面，该方法支持“协同共烧结”，能够同时处理多个预制生坯，实现高效的批量生产。实验演示了单次协同烧结出四个 Re 颗粒的过程，结果显示材料完整性良好且空间利用率极高。这种低成本、高效率且具备成分定制能力的策略，打破了传统粉末冶金在性能优化与处理效率之间的权衡，为航空航天和核能领域的关键组件制造开辟了新途径。

图  难熔金属的可调组合物和大规模制造

展望

本研究通过调节金属电子结构的离域密度，成功开发了一种通用的液态金属诱导键软化（LMIBS）烧结策略。该方法在1000°C的温和条件下实现了难熔金属的分钟级快速致密化，攻克了长期以来难熔金属加工中晶粒粗化与高性能难以兼得的矛盾。制备的材料具有超细晶结构和破纪录的屈服强度，且展现出极佳的成分调控灵活性和大规模制造能力。这一突破性进展不仅深化了对金属原子迁移机制的认知，也为开发下一代高性能结构材料提供了高效、节能、可扩展的通用蓝图。

参考文献：

Ni, E., Liu, J., Sun, M. et al. Rapid sintering of ultrafine-grained refractory metals under mild conditions. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02587-6