既耐高溫又增強度我國研發的這種合金國際領先

　　如何讓超高溫合金既耐高溫又提升強度？近日，中國礦業大學在超高溫金屬結構材料領域取得新進展，該校機電工程學院博士后萬義興與程延海教授研發出一種具有超高溫工程應用潛力的氮化物增強NbMoTaWHfN（鈮鉬鉭鎢鉿氮）難熔高熵合金，相關成果發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期發表

　　煤電燃氣輪機、航空發動機、核反應堆等工業領域迫切需要具有優異高溫性能的新型耐高溫金屬結構材料。隨著這些裝備的熱端的服役溫度逐步提高到1800℃以上，傳統的高溫合金已難以滿足這一溫度需求，亟待開發面向超高溫服役環境的金屬結構材料。

　　萬義興介紹，超高溫金屬結構材料是指在1650℃以上溫度且具有高于150兆帕強度的金屬材料，需要同時滿足溫度與強度的雙重指標。難熔高熵合金具有高熔點、高溫高強度等優勢，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，極具超高溫應用潛力，近年來受到科學界的廣泛關注。

　　程延海教授團隊與國內相關單位合作，通過調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化相，設計了一種具有潛在超高溫工程應用前景的氮化物增強的NbMoTaWHfN難熔高熵合金。

　　這種合金在1000至1800℃范圍內具有極高的強度，1800℃強度達到驚人的288兆帕，實現了高溫與高強度的“雙贏”效果。通過與其他合金比較測試溫度和強度，發現NbMoTaWHfN難熔高熵合金具有優異的高溫強度，無論是在測試溫度還是在高溫強度方面均遠超大多數合金。這種優異的性能使其在超高溫下具有廣泛的工程應用潛力，例如航空發動機工程和地面燃氣輪機工程等。

　　萬義興告訴記者，難熔高熵合金的突出力學性能特點是高溫、高強度、高韌性。他們研究設計的這種難熔高熵合金，每種元素的含量大體相當，具有簡單晶體結構的金屬材料。與國內外同類研究相比，該合金的高溫和強度性能處于國際領先地位，與國內外其他報道的同類成果相比，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可以直接打印大尺寸難熔高熵合金結構件。

　　程延海說，當前航空發動機、地面重型燃氣輪機，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現渦輪葉片的隔熱和空氣冷卻，他們研發的合金材料可以直接承載超過1650℃高溫環境，這將為航空發動機或重型燃氣輪機提供有價值的借鑒。

　　(a)不同溫度下合金的強度對比；(b)不同合金最高測試溫度及對應強度對比；(c) NbMoTaWHfN難熔高熵合金潛在的工程應用場景