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【科普系列】高温环境下的新一代材料—难熔高熵合金

  • 发布时间: 2023-02-23
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研究意义


       随着航空航天技术的发展,可重复使用飞行器成为航空航天领域研究的热点之一。严重的气动加热现象会对飞行器造成很大的影响,例如结构失效、设备失灵,甚至会引发飞行事故。传统材料的高温性能及耐热性能已经不能满足高超声速飞行器的要求,急需开发出应用于高温环境下的新一代高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)是由五种以上主要元素组成,且每种主元的原子分数在5%~35%范围内的一种新型合金,被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一。高熵合金具有高强度,高室温韧性,耐磨损性、抗氧化性、耐腐蚀性和热稳定性等一系列优异性能。


难熔高熵合金定义


       高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)是由五种以上主要元素组成,且每种主元的原子分数在5%~35%范围内的一种新型合金,被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一。高熵合金具有高强度,高室温韧性,耐磨损性、抗氧化性、耐腐蚀性和热稳定性等一系列优异性能。

难熔高熵合金(refractory high entropy alloys,RHEAs)是以熔点高于1650 ℃的难熔金属元素为主元的一种新型高熵合金。难熔高熵合金因大多数组成元素为高熔点元素,具有较高的熔点,表现出优异的高温性能,同时合金具有高熵合金的特性,成为非常有潜力的高温合金之一。


制备方法


       难熔高熵合金主要分为三种类型:块体、涂层和薄膜。目前制备难熔高熵合金的方法主要为真空电弧熔炼、粉末冶金、真空磁控溅射、激光熔覆等方法。不同类型难熔高熵合金的制备方法及优缺点如表1所示。


高温力学性能


       难熔高熵合金作为由高熔点元素组成的高性能合金,高温力学性能(高强度)尤为突出,有望作为航空航天发动机和涡轮叶片的高温合金材料候选。如图2所示,相比于难熔高熵合金,传统高温合金Inconel 718和Haynes 230在800 ℃ 以上时,其抗压强度出现明显的下降。当温度高于 900 ℃时,难熔高熵合金的抗压强度均大于传统高温合金,表现出优异的高温力学性能。


高温力学性能


       难熔高熵合金作为由高熔点元素组成的高性能合金,高温力学性能(高强度)尤为突出,有望作为航空航天发动机和涡轮叶片的高温合金材料候选。如图2所示,相比于难熔高熵合金,传统高温合金Inconel 718和Haynes 230在800 ℃ 以上时,其抗压强度出现明显的下降。当温度高于 900 ℃时,难熔高熵合金的抗压强度均大于传统高温合金,表现出优异的高温力学性能。


结束语


       难熔高熵合金作为潜在高温承重结构、高温耐热涂层材料,可以在石油化工、航空航天等领域广泛使用,未来有着巨大的应用潜力。目前人们对难熔高熵合金的研究还处于初始阶段,作为一个材料研究的新兴领域,难熔高熵合金有着很高的研究价值与广阔的应用前景。