如何讓超高溫合金既可耐高溫又有高強度？近日，中國礦業(yè)大學(xué)在超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域取得新進展。該校機電工程學(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、艦載燃?xì)廨啓C以及航空發(fā)動機等的制造迫切需要自主可控、高溫強度優(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150兆帕強度的金屬材料，需要同時滿足溫度與強度的雙重指標(biāo)。難熔高熵合金具有高熔點、耐高溫、高強度等優(yōu)勢，主要由鈮、鉬、鉭、鎢、鉿、錸、釩、鋯、鈦等高熔點金屬元素，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。
程延海團隊與國內(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化相，引入鈮鉬鉭鎢鉿難熔高熵合金基體中，設(shè)計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)具有極高的強度，在1800℃下強度可達到288兆帕，實現(xiàn)了耐高溫與高強度兼得。
研究團隊發(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度方面均遠超大多數(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)動機工程和地面燃?xì)廨啓C工程等。
萬義興告訴記者，他們研究設(shè)計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，團隊不僅制備了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、地面重型燃?xì)廨啓C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)動機或重型燃?xì)廨啓C渦輪葉片的制造。
