新型难熔高熵合金既耐高温又具强度

如何让超高温合金既可耐高温又有高强度？近日，中国矿业大学在超高温金属结构材料领域取得新进展。该校机电工程学院博士后万义兴与教授程延海研发出一种具有超高温工程应用潜力的氮化物增强铌钼钽钨铪氮难熔高熵合金。相关成果日前发表在中国工程院院刊《工程（英文）》上。

地面重型燃气轮机、舰载燃气轮机以及航空发动机等的制造迫切需要自主可控、高温强度优异的合金材料。随着这些设备热端部件的服役温度逐步提升，传统的耐高温合金难以适应如此高的服役温度，面向超高温服役环境的金属结构材料亟待开发。

万义兴介绍，超高温金属结构材料是指在1650℃以上温度环境下，具有高于150兆帕强度的金属材料，需要同时满足温度与强度的双重指标。难熔高熵合金具有高熔点、耐高温、高强度等优势，主要由铌、钼、钽、钨、铪、铼、钒、锆、钛等高熔点金属元素，以及氮、碳、硅等非金属元素组成，极具超高温应用潜力，近年来受到科学界的广泛关注。

程延海团队与国内相关单位合作，通过调控原位生成多组元氮化物，并将生成的多组元氮化物作为强化相，引入铌钼钽钨铪难熔高熵合金基体中，设计了一种具有潜在超高温工程应用前景的铌钼钽钨铪氮难熔高熵合金。这种合金在1000℃至1800℃范围内具有极高的强度，在1800℃下强度可达到288兆帕，实现了耐高温与高强度兼得。

研究团队发现，铌钼钽钨铪氮难熔高熵合金无论是在测试温度还是在高温强度方面均远超大多数合金。这种优异的性能使其在超高温下具有广泛的工程应用潜力，可用于航空发动机工程和地面燃气轮机工程等。

万义兴告诉记者，他们研究设计的这种难熔高熵合金，每种元素的含量大体相当，是具有简单晶体结构的金属材料。目前，团队不仅制备了10公斤级铌钼钽钨铪氮难熔高熵合金铸锭，还得到大批量合金粉体，通过激光增材制造技术，可以直接打印大尺寸铌钼钽钨铪氮难熔高熵合金结构件。

程延海说，当前航空发动机、地面重型燃气轮机大多使用了铸造高温合金叶片，都是通过TBC热障涂层和气膜孔配合来实现涡轮叶片的隔热和空气冷却。他们研发的合金材料适用于超过1650℃的高温环境，或将有助于航空发动机或重型燃气轮机涡轮叶片的制造。