新興超高音速技術(shù)和航天航空等尖端科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，急需在高溫高壓極端條件下具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高強度的關(guān)鍵熱端材料。現(xiàn)有多主元難熔合金由于晶粒粗化、界面弱結(jié)合等原因?qū)е赂邷亟Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，合金的高溫強度亟需進一步提高。對此，湖南大學材料科學與工程學院徐先東-陳江華教授團隊與武漢理工大學沈強教授團隊、美國約翰-霍普金斯大學陳明偉教授（M.W. Chen）、美國田納西州立大學聶臺岡教授（T.G. Nieh）、香港城市大學劉錦川教授（C.T. Liu）和湖南大學機械與運載工程學院方棋洪教授等團隊合作，通過在難熔多主元合金中引入共晶碳化物設(shè)計制備了新型的Re0.5MoNbW(TaC)x難熔合金，實現(xiàn)了優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和超高強度。Re0.5MoNbW(TaC)x合金微觀結(jié)構(gòu)可控，在多主元固溶強化和金屬/碳化物界面強化的協(xié)同作用下，合金具有優(yōu)異的高溫強度（1473 K的壓縮強度>2 GPa）；同時，金屬相有利于鈍化微裂紋尖端，提高共晶合金的室溫塑性。多主元金屬-碳化物難熔共晶合金的設(shè)計思路可為開發(fā)下一代超高溫材料提供科學策略。相關(guān)論文以題為“Metal-carbide eutectics with multiprincipal elements make super refractory alloys”發(fā)表在國際期刊《Science Advances》上。該論文以徐先東教授課題組博士后魏琴琴博士為論文第一作者，以徐先東、沈強、聶臺岡、陳明偉和陳江華等教授為論文共同通訊作者，是國內(nèi)外多個大學和多個團隊密切合作的成果。該工作得到了國家自然科學基金以及中國博士后基金支持。論文鏈接：https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abo2068在這項工作中，研究者們通過成分調(diào)控和電弧熔煉技術(shù)制備得到具有完全共晶結(jié)構(gòu)的Re0.5MoNbW(TaC)0.9合金，合金由多主元固溶體相（BCC）和多組元碳化物相（FCC-MCC）交替分布組成，兩相具有近似Kurdjumov-Sachs取向關(guān)系：i.e. (011)BCC // (111)carbide, [111]BCC // [101]carbide，相界面為具有低界面能的鋸齒狀半共格界面。圖1.鑄態(tài)Re0.5MoNbW(TaC)x合金的（A）低倍微觀結(jié)構(gòu)和（B, C）共晶組織中異相界面結(jié)構(gòu)。Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金具有優(yōu)異的高溫力學性能，在1473 K壓縮時屈服強度為1.08 GPa，壓縮強度為2.12 GPa，同時具有良好的室溫加工性（塑性為8.5%）。相比于傳統(tǒng)的Ni基合金、NiAl-Mo合金、W/Mo合金、以及難熔多主元合金和共晶多主元合金，Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金的工程屈服強度和壓縮強度明顯更高。在這種共晶結(jié)構(gòu)中，碳化物中形成的微裂紋有利于緩解界面應力集中，且具有較好塑性的BCC相鈍化微裂紋尖端以阻礙裂紋擴展，從而提高合金的室溫塑性。更為重要的是，不同于傳統(tǒng)合金，多主元金屬-碳化物共晶合金高溫壓縮后組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)晶粒粗化、界面滑移和動態(tài)回復等以原子擴散控制的高溫軟化現(xiàn)象。從組成成分和結(jié)構(gòu)的角度來看，多主元成分組成導致的緩慢擴散和金屬-碳化物半共格界面的良好熱/機械穩(wěn)定性共同實現(xiàn)了合金優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和超高高溫強度。圖2.（A-C）Re0.5MoNbW(TaC)x合金的室溫和高溫壓縮性能；（D, E）Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金與傳統(tǒng)合金和多主元合金的高溫強度對比，顯示了Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金的超高強度。圖3.（A-C）Re0.5MoNbW(TaC)x合金壓縮后的微觀結(jié)構(gòu)；（D, E）1473 K壓縮后碳化物中的層錯結(jié)構(gòu)；（F）異相界面高分辨圖顯示了位錯起源；（G）共晶結(jié)構(gòu)演變示意圖。圖4.Re0.5MoNbW(TaC)0.9合金鑄態(tài)和壓縮后BCC/碳化物異相界面的高分辨圖，顯示了兩相取向關(guān)系變化，表明金屬-碳化物異相界面優(yōu)異的熱/機械穩(wěn)定性。綜上所述，研究者們開發(fā)了一種新型的多主元金屬-碳化物難熔共晶合金，在1473 K下具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和超高強度。高溫下，層狀碳化物骨架承載載荷，多主元固溶強化、晶界強化和第二相強化的共同作用實現(xiàn)了合金優(yōu)異的高溫性能；室溫下，層狀金屬相緩沖微裂紋擴展以提高合金塑性。這種創(chuàng)新微觀結(jié)構(gòu)的成功開發(fā)為研發(fā)高性能高溫材料開辟了一條新途徑。
參考資料：http://clxy.hnu.edu.cn/info/1067/5656.htm
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