如何让超高温合金既耐高温又提升强度？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程延海教授研发出一种具有超高温工程应用潜力的氮化物增强NbMoTaWHfN（铌钼钽钨铪氮）难熔高熵合金，相关成果发表在中国工程院院刊《工程（英文）》上。
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论文在Engineering 2023年第30卷第11期发表
煤电燃气轮机、航空发动机、核反应堆等工业领域迫切需要具有优异高温性能的新型耐高温金属结构材料。随着这些装备的热端的服役温度逐步提高到1800℃以上，传统的高温合金已难以满足这一温度需求，亟待开发面向超高温服役环境的金属结构材料。
万义兴介绍，超高温金属结构材料是指在1650℃以上温度且具有高于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、高温高强度等优势，主要由铌（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）、钨（W）、铪（Hf）、铼（Re）、钒（V）、锆（Zr）、钛（Ti）等高熔点金属元素以及氮（N）、碳（C）、硅（Si）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。
程延海教授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，将氮化物引入NbMoTaWHf难熔高熵合金基体中作为强化相，设计了一种具有潜在超高温工程应用前景的氮化物增强的NbMoTaWHfN难熔高熵合金。
这种合金在1000至1800℃范围内具有极高的强度，1800℃强度达到惊人的288兆帕，实现了高温与高强度的“双赢”效果。通过与其他合金比较测试温度和强度，发现NbMoTaWHfN难熔高熵合金具有优异的高温强度，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，例如航空发动机工程和地面燃气轮机工程等。
万义兴告诉记者，难熔高熵合金的突出力学性能特点是高温、高强度、高韧性。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，具有简单晶体结构的金属材料。与国内外同类研究相比，该合金的高温和强度性能处于国际领先地位，与国内外其他报道的同类成果相比，温度提高了200℃。目前，他们不仅制备了10公斤级合金铸锭，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，大都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可以直接承载超过1650℃高温环境，这将为航空发动机或重型燃气轮机提供有价值的借鉴。
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(a)不同温度下合金的强度对比；(b)不同合金最高测试温度及对应强度对比；(c) NbMoTaWHfN难熔高熵合金潜在的工程应用场景
（中国矿业大学供图）
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