通过析出氮化物相设计超高温高熵合金： NbMoTaWHfN高熵合金在1800 °C具有288 MPa压缩屈服强度

　　航空发动机、燃气轮机、核电站等工业领域迫切需要具有优异高温性能的新型耐高温合金。随着这些装备的热端服役温度逐步提高到1800 °C及以上，传统的高温合金已难以满足这一温度需求。而主要由难熔金属元素组成的难熔高熵合金(RHEAs)在1200 °C以上仍具有很高的强度，引起了研究者的广泛关注。

　　为了设计具有良好塑性和高温强度的新型合金以满足高温工程应用的需求，研究者们在NbMoTaW和TiZrHfNb合金基础上添加Ti、Zr、Hf、Re、Si、C和N等元素做了大量研究。发现合金的主要强化手段是固溶强化、第二相强化和提高软点。对于固溶强化，当大量的固溶原子聚集于位错时，它们会阻碍位错的运动，提高强度。对于第二相强化，当运动的位错越过第二相粒子时会形成位错环，这一过程需要额外的力，提供了变形抗力。对于软点，高温强度一般与软点有关，而合金的软点大约为熔点的0.6倍（温度以K为单位）。尽管相关强化机理已逐步探明，但究遗憾的是，关于1800 °C甚至更高温度下具有工程应用前景的合金鲜有报道。

　　相关研究数据表明，NbMoTaWHf难熔高熵合金具有较高的高温强度，氮化物具有优异的热稳定性。如果将氮化物引入NbMoTaWHf合金基体中作为强化相，也许是实现高温与高强度“双赢”的有效途径。

　　由梁秀兵研究员领导的国家科技创新研究院的研究团队设计了一种氮化物增强的NbMoTaWHfN难熔高熵合金。这种合金在1000至1800 °C范围内具有极高的压缩屈服强度。相关研究近期已发表在《Engineering》期刊上。

　　该团队首先研究了NbMoTaW(HfN)_x (x = 0, 0.3, 0.7, 1)难熔高熵合金的微观结构和力学性能。这些合金由体心立方相（BCC）、氮化铪相（HfN）和多组分氮化物相（MN）组成。随着x含量的增加，合金晶粒尺寸逐渐变小，强度逐渐提高。之后，他们从中挑选出微观结构具有代表性、室温力学性能也更好的NbMoTaWHfN合金，着重研究其相组成和高温力学性能。NbMoTaWHfN合金在室温、1000 °C、1400 °C和1800 °C的压缩屈服强度分别为1682 MPa、1192 MPa、792 MPa和288 MPa。这一结果非常振奋人心，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，包括高熵合金、难熔金属和高温合金。

　　他们从混合焓的角度讨论了HfN和MN相的形成机理，又探讨了NbMoTaW(HfN)_x合金在常温和高温下的强化机理。HfN相具有较高的组织稳定性和迟缓的晶粒粗化过程，对提高合金的高温强度具有显著作用。通过与其它合金比较测试温度和强度，他们还讨论了NbMoTaWHfN合金优异的力学性能。这种优异的性能使NbMoTaWHfN合金在超高温下具有广泛的工程应用潜力，例如航空发动机和地面燃气轮机等。

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