新型難熔高熵合金既耐高溫又具強(qiáng)度

　　◎本報(bào)記者 張 曄 通訊員 李 秀

　　如何讓超高溫合金既可耐高溫又有高強(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)院博士后萬義興與教授程延海研發(fā)出一種具有超高溫工程應(yīng)用潛力的氮化物增強(qiáng)鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金。相關(guān)成果日前發(fā)表在中國工程院院刊《工程（英文）》上。

　　地面重型燃?xì)廨啓C(jī)、艦載燃?xì)廨啓C(jī)以及航空發(fā)動機(jī)等的制造迫切需要自主可控、高溫強(qiáng)度優(yōu)異的合金材料。隨著這些設(shè)備熱端部件的服役溫度逐步提升，傳統(tǒng)的耐高溫合金難以適應(yīng)如此高的服役溫度，面向超高溫服役環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)材料亟待開發(fā)。

　　萬義興介紹，超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料是指在1650℃以上溫度環(huán)境下，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)、耐高溫、高強(qiáng)度等優(yōu)勢，主要由鈮、鉬、鉭、鎢、鉿、錸、釩、鋯、鈦等高熔點(diǎn)金屬元素，以及氮、碳、硅等非金屬元素組成，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，并將生成的多組元氮化物作為強(qiáng)化相，引入鈮鉬鉭鎢鉿難熔高熵合金基體中，設(shè)計(jì)了一種具有潛在超高溫工程應(yīng)用前景的鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金。這種合金在1000℃至1800℃范圍內(nèi)具有極高的強(qiáng)度，在1800℃下強(qiáng)度可達(dá)到288兆帕，實(shí)現(xiàn)了耐高溫與高強(qiáng)度兼得。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金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，可用于航空發(fā)動機(jī)工程和地面燃?xì)廨啓C(jī)工程等。

　　萬義興告訴記者，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)，是具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料。目前，團(tuán)隊(duì)不僅制備了10公斤級鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金鑄錠，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鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金結(jié)構(gòu)件。

　　程延海說，當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)、地面重型燃?xì)廨啓C(jī)大多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)的合金材料適用于超過1650℃的高溫環(huán)境，或?qū)⒂兄诤娇瞻l(fā)動機(jī)或重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的制造。