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。

先来看看什么是高熵合金，以及难熔高熵合金

高熵合金定义和性能特点

高熵合金又称为多主元合金、成分复杂合金、等原子比多组元合金等。是一种由多种主要元素组成的合金，且各个重点组成元素的原子占比均处于一个高比例。定义高熵合金的主元数量＞5个，而原子占比为5%~35%。和旧体系合金不同的是，这种由多种主元集体领导的合金无任何主元占比至50%。

性能特点：

1.高熵合金具有高强度与高硬度

2.高熵合金具有很好的耐磨性

3.高熵合金具有耐高温性和耐蚀性

高熵合金分类

1.过渡元素高熵合金

过渡元素高熵合金以Al、Mg、Co、Cu、Cr、Fe、Mn、Ni，Ti、Sn和Zn等作为主元素，其中AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoFeNi、AlCoCrNi和AlCoCrFe是目前过渡元素高熵合金中采用最多的元素组合。

过渡元素高熵合金基本都是BCC结构相（脆性相）或FCC结构相（塑性相）的固溶体合金。

2.难熔高熵合金

难熔高熵合金主要是以难熔金属元素Mo、Ti、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W、Zr以及Al等为主元素，这类高熵合金具有优异的高温性能。

根据难熔高熵合金晶体结构，难熔高熵合金体系大概可分为两类：一类是单相BCC结构的固溶体难熔高熵合金，另外一类是在BCC固溶体基体上析出第二相金属间化合物的难熔合金体系，主要包括Laves相析出强化和BCC/B2共格析出强化的难熔高熵合金。

高熵合金潜在应用领域

高熵合金目前应用于航空航天、核聚变反应堆、喷气机涡轮叶片制造等领域，未来可期待的亲民应用有：

①刀具材料高速钢硬度高，但塑性、韧性差、易折断。高熵合金可用于制造对材料要求较高的模具和刀具，目前，普通模具钢正逐渐被高熵合金替代。

②作为耐热材料用于焊接、涡轮叶片、热交换器、高温炉等。

③作为耐腐蚀材料应用于化学工厂、航海船舶等易腐蚀环境。

④高熵合金的高硬度、高耐磨性、较低弹性模量，可用于制造高尔夫球头的打击面、油压气压杆、钢管及辊压筒的硬面。

⑤高熵合金软磁性、高电阻率的特性，可应用于制造高频通讯器件，如高频变压器、马达的磁心、磁头、磁盘、高频软磁薄膜等。

此外，高熵合金在电热、储氢材料、IC扩散阻绝层等其他工业领域也表现出广泛的应用前景。目前，更深入地进行高熵合金的显微组织分析、相图分析、热力学分析、性能测定等研究是国际材料学术界同一的使命，建立更为科学的选择合金元素理论、高熵合金的熔铸理论、凝固结晶理论、压力加工理论等。期待高熵合金更广泛且深入的应用，持续在尖端化工领域绽放溢彩！

我国研发的这种高熵合金国际领先

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。

文章来源： 盖德化工网，科技日报，北京中诺新材