新興超高音速技術和航天航空等尖端科技領域的快速發展，急需在高溫高壓極端條件下具有結構穩定性和高強度的關鍵熱端材料。現有多主元難熔合金由于晶粒粗化、界面弱結合等原因導致高溫結構不穩定，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計制備了新型的Re0.5MoNbW(TaC)x難熔合金，實現了優異的高溫結構穩定性和超高強度。Re0.5MoNbW(TaC)x合金微觀結構可控，在多主元固溶強化和金屬/碳化物界面強化的協同作用下，合金具有優異的高溫強度（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計思路可為開發下一代超高溫材料提供科學策略。相關論文以題為“Metal-carbide eutectics with multiprincipal elements make super refractory alloys”發表在國際期刊《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控和電弧熔煉技術制備得到具有完全共晶結構的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Re0.5MoNbW(TaC)x合金的（A）低倍微觀結構和（B, C）共晶組織中異相界面結構。Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金具有優異的高溫力學性能，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。在這種共晶結構中，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，不同于傳統合金，多主元金屬-碳化物共晶合金高溫壓縮后組織結構穩定，沒有發現晶粒粗化、界面滑移和動態回復等以原子擴散控制的高溫軟化現象。從組成成分和結構的角度來看，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/機械穩定性共同實現了合金優異的高溫結構穩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構；（D, E）1473 K壓縮后碳化物中的層錯結構；（F）異相界面高分辨圖顯示了位錯起源；（G）共晶結構演變示意圖。圖4.Re0.5MoNbW(TaC)0.9合金鑄態和壓縮后BCC/碳化物異相界面的高分辨圖，顯示了兩相取向關系變化，表明金屬-碳化物異相界面優異的熱/機械穩定性。綜上所述，研究者們開發了一種新型的多主元金屬-碳化物難熔共晶合金，在1473 K下具有優異的結構穩定性和超高強度。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了合金優異的高溫性能；室溫下，層狀金屬相緩沖微裂紋擴展以提高合金塑性。這種創新微觀結構的成功開發為研發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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