難熔金屬是指熔點為2000℃及以上的金屬單質(zhì)、金屬氧化物以及金屬碳化物，主要元素包括鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、鎢(W)、錸(Re)等5種元素。由于其具有高熔點、高硬度、導(dǎo)電性和冷加工性能好等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫機(jī)械制造領(lǐng)域。

難熔金屬具有高熔點高硬度的特點，以傳統(tǒng)工業(yè)方法(鑄造、鍛造等)對其進(jìn)行制備與加工存在一定的難度，目前常見制備方法有粉末冶金技術(shù)、熱機(jī)械加工技術(shù)、定向凝固技術(shù)、電子束或自耗電弧熔煉工藝、化學(xué)氣相沉積和等離子噴涂工藝。

然而，在地面環(huán)境下的難熔合金研究長期受重力、容器等條件制約，難熔合金液態(tài)性質(zhì)的精確測定與快速凝固合成制備存在困難。中國空間站無容器材料實驗柜提供的“無容器+長時微重力”環(huán)境，為高性能難熔合金研究開辟了新路。自2021年4月以來，西北工業(yè)大學(xué)魏炳波團(tuán)隊制備的10余種數(shù)百個高性能難熔合金樣品，先后在中國空間站無容器材料實驗柜進(jìn)行了6批次在軌實驗，成功完成了難熔合金微重力條件下的靜電懸浮、加熱熔化、降溫、過冷、凝固、熱物理性質(zhì)測定等重要實驗，其中4批次難熔合金已搭乘神舟飛船返回地面。

研究團(tuán)隊通過對最早一批返回的鈮合金、鋯合金、鈦合金開展研究，獲取了超高溫狀態(tài)下難熔合金的液態(tài)密度、熱膨脹系數(shù)、熱輻比等關(guān)鍵性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了一系列有重要科學(xué)價值的新成果，包括：發(fā)現(xiàn)微重力液滴凝固的渦旋型特殊組織結(jié)構(gòu)、闡明微重力凝固收縮的動力學(xué)規(guī)律、揭示微重力和無容器共同作用下共晶合金解耦生長的內(nèi)在機(jī)理、實現(xiàn)太空環(huán)境凝固合金的微觀組織與宏觀形態(tài)的雙調(diào)控等。

另外，增材制造技術(shù)是一種先進(jìn)的綠色智能數(shù)字制造技術(shù)，該技術(shù)材料利用率高、成形表面質(zhì)量好、無需模具即可成形復(fù)雜構(gòu)件，在航空航天、汽車模具、核電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是難熔金屬加工制造提供了新的途徑和方法。其中，金屬增材制造技術(shù)就是以金屬材料作為加工原料，利用電子束、電弧、激光等作為加工熱源，通過熔化金屬絲或金屬粉末逐層堆積，層層累加直至打印成零件。

在航空航天領(lǐng)域，難熔金屬是制造高溫部件的理想材料。鎢（W）的熔點和沸點最高，其耐熱性相比其他金屬也**。雖然鎢金屬本身的密度較大，低溫強(qiáng)度低等缺點限制了其在航空發(fā)動機(jī)的其他部件中的應(yīng)用，但通過合金化處理，可以顯著提高其高、低溫環(huán)境中的表現(xiàn)，從而增加其應(yīng)用的范圍。通過加入能產(chǎn)生固溶體的合金元素或彌散強(qiáng)化，可以制成高強(qiáng)度鎢，同時使原材料具有更好的抗氧化性和加工性能。

美國通用電器公司將鎢銅合金應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的熱端部件，可以有效降低熱端部件中鎢的受熱程度。從當(dāng)燃燒室的混合氣體點燃產(chǎn)生高溫燃?xì)?，足以使得鎢銅合金中的銅迅速升華帶走大部分熱量，從而降低合金的溫度，起到發(fā)汗冷卻作用。錸（Re）的綜合性能全面，各項性能較為優(yōu)異，其的熔點和沸點都較高，僅低于鎢（W），耐高溫、耐高強(qiáng)度摩擦，也是航空發(fā)動機(jī)研制中重要的選材。限于錸的抗氧化性能較差，因此使用與之熱膨脹率相近的銥（Ir）來做外表涂層提高其抗氧化性，保證其在高溫環(huán)境的可靠性和耐高溫性。

在核能發(fā)電中，鉬合金可用于反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)部件，能夠承受高溫高壓和強(qiáng)輻射環(huán)境。鈮合金材料具有塑性好，加工和焊接性能優(yōu)良等特點，被認(rèn)為是下一代火箭和航空發(fā)動機(jī)的重要備選材料。今年四月，法國法馬通公司(Framatome)與德國慕尼黑大學(xué)近日簽署為期四年的合作協(xié)議，將繼續(xù)聯(lián)合優(yōu)化鈾鉬合金高密度單片式研究堆燃料生產(chǎn)技術(shù)，對熱功率為2萬千瓦的高通量研究堆FRMII進(jìn)行燃料低濃化改造，在不影響運行績效的前提下，使該堆轉(zhuǎn)為使用低濃鈾燃料。德國慕尼黑大學(xué)于2019年開始與法馬通合作研究鈾鉬合金高密度低濃鈾燃料生產(chǎn)技術(shù)，已建成一條實驗性生產(chǎn)線，并生產(chǎn)出**批燃料板，計劃在今年對這種燃料板進(jìn)行首次輻照測試。

電子行業(yè)中，難熔金屬也大放異彩。鉭具有高電容密度、穩(wěn)定性好、漏電流小等優(yōu)點，鉭電容被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。它們能夠提供穩(wěn)定的電荷存儲和快速的充放電性能，保證電子設(shè)備的正常運行。而鎢具有高熔點和良好的導(dǎo)電性，常被用作等離子顯示面板（PDP）和電子發(fā)射源的電極材料。在一些真空電子器件，如電子管和 X 射線管中，鎢電極也發(fā)揮著重要作用。

化工領(lǐng)域里，難熔金屬的耐腐蝕性使其成為制造化學(xué)反應(yīng)容器和管道的不二之選。特別是在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境中，難熔金屬能夠保持穩(wěn)定，保障生產(chǎn)的安全和高效。因此鉬在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用居首要地位，約占其總消耗量的80％。它可用于生產(chǎn)合金鋼、不銹鋼、工具鋼和高速鋼等，能提高鋼的強(qiáng)度、韌性、抗腐蝕性、耐磨性、淬透性、焊接性和耐熱性等性能。例如，含鉬量為4%-5%的不銹鋼常用于海洋設(shè)備、化工設(shè)備等侵蝕、腐蝕較嚴(yán)重的地方。

醫(yī)療領(lǐng)域同樣少不了難熔金屬的身影。例如，鎢的高比重合金被廣泛運用于高端醫(yī)療器械產(chǎn)品中的射線屏蔽防護(hù)部件，如在 X 射線設(shè)備、CT 掃描儀等中，用于阻擋和衰減 X 射線，保護(hù)患者和醫(yī)護(hù)人員免受輻射傷害。鈮具有優(yōu)良的理化性能和生物相容性。一方面，通過在鈦合金中引入鈮元素，可降低鈦合金中有毒金屬（如鎳、釩）離子的析出，改善鈦合金的生物相容性，降低其彈性模量并提高種植體的機(jī)械強(qiáng)度。另一方面，鈮的多孔材料有望作為骨組織壞死治療的生物材料。