既耐高溫又增強(qiáng)度 我國研發(fā)的這種合金國際領(lǐng)先

如何讓超高溫合金既耐高溫又提升強(qiáng)度？近日，中國礦業(yè)大學(xué)在超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，該校機(jī)電工程學(xué)院博士后萬義興與程延海教授研發(fā)出一種具有超高溫工程應(yīng)用潛力的氮化物增強(qiáng)NbMoTaWHfN（鈮鉬鉭鎢鉿氮）難熔高熵合金，相關(guān)成果發(fā)表在中國工程院院刊《工程（英文）》上。

論文在Engineering 2023年第30卷第11期發(fā)表

煤電燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等工業(yè)領(lǐng)域迫切需要具有優(yōu)異高溫性能的新型耐高溫金屬結(jié)構(gòu)材料。隨著這些裝備的熱端的服役溫度逐步提高到1800℃以上，傳統(tǒng)的高溫合金已難以滿足這一溫度需求，亟待開發(fā)面向超高溫服役環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)材料。

萬義興介紹，超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料是指在1650℃以上溫度且具有高于150兆帕強(qiáng)度的金屬材料，需要同時(shí)滿足溫度與強(qiáng)度的雙重指標(biāo)。難熔高熵合金具有高熔點(diǎn)、高溫高強(qiáng)度等優(yōu)勢，主要由鈮（Nb）、鉬（Mo）、鉭（Ta）、鎢（W）、鉿（Hf）、錸（Re）、釩（V）、鋯（Zr）、鈦（Ti）等高熔點(diǎn)金屬元素以及氮（N）、碳（C）、硅（Si）等非金屬元素組成，極具超高溫應(yīng)用潛力，近年來受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

程延海教授團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)相關(guān)單位合作，通過調(diào)控原位生成多組元氮化物，將氮化物引入NbMoTaWHf難熔高熵合金基體中作為強(qiáng)化相，設(shè)計(jì)了一種具有潛在超高溫工程應(yīng)用前景的氮化物增強(qiáng)的NbMoTaWHfN難熔高熵合金。

這種合金在1000至1800℃范圍內(nèi)具有極高的強(qiáng)度，1800℃強(qiáng)度達(dá)到驚人的288兆帕，實(shí)現(xiàn)了高溫與高強(qiáng)度的“雙贏”效果。通過與其他合金比較測試溫度和強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)NbMoTaWHfN難熔高熵合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，無論是在測試溫度還是在高溫強(qiáng)度方面均遠(yuǎn)超大多數(shù)合金。這種優(yōu)異的性能使其在超高溫下具有廣泛的工程應(yīng)用潛力，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程和地面燃?xì)廨啓C(jī)工程等。

萬義興告訴記者，難熔高熵合金的突出力學(xué)性能特點(diǎn)是高溫、高強(qiáng)度、高韌性。他們研究設(shè)計(jì)的這種難熔高熵合金，每種元素的含量大體相當(dāng)，具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料。與國內(nèi)外同類研究相比，該合金的高溫和強(qiáng)度性能處于國際領(lǐng)先地位，與國內(nèi)外其他報(bào)道的同類成果相比，溫度提高了200℃。目前，他們不僅制備了10公斤級合金鑄錠，還得到大批量合金粉體，通過激光增材制造技術(shù)可以直接打印大尺寸難熔高熵合金結(jié)構(gòu)件。

程延海說，當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面重型燃?xì)廨啓C(jī)，大都使用了鑄造高溫合金葉片，都是通過TBC熱障涂層和氣膜孔配合來實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的隔熱和空氣冷卻，他們研發(fā)的合金材料可以直接承載超過1650℃高溫環(huán)境，這將為航空發(fā)動(dòng)機(jī)或重型燃?xì)廨啓C(jī)提供有價(jià)值的借鑒。