如何讓超高溫合金既可耐高溫又有高強度? 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教授程延海研發出一種具有超高溫工程應用潛力的氮化物增強鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金。相關成果日前發表在中國工程院院刊《工程（英文）》上。

地面重型燃氣輪機、艦載燃氣輪機以及航空發動機等的制造迫切需要自主可控、高溫強度優異的合金材料。隨著這些設備熱端部件的服役溫度逐步提升，傳統的耐高溫合金難以適應如此高的服役溫度，面向超高溫服役環境的金屬結構材料亟待開發。

萬義興介紹，超高溫金屬結構材料是指在1650℃以上溫度環境下，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。難熔高熵合金具有高熔點、耐高溫、高強度等優勢，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，極具超高溫應用潛力，近年來受到科學界的廣泛關注。

程延海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，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，設計了一種具有潛在超高溫工程應用前景的鈮鉬鉭鎢鉿氮難熔高熵合金。這種合金在1000℃至1800℃范圍內具有極高的強度，在1800℃下強度可達到288兆帕，實現了耐高溫與高強度兼得。

研究團隊發現，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，可用于航空發動機工程和地面燃氣輪機工程等。

萬義興稱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，是具有簡單晶體結構的金屬材料。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，可以直接打印大尺寸鈮鉬鉭鎢鉿氮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渦輪葉片的隔熱和空氣冷卻。他們研發的合金材料適用于超過1650℃的高溫環境，或將有助于航空發動機或重型燃氣輪機渦輪葉片的制造。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.008