新兴超高音速技术和航天航空等尖端科技领域的快速发展，急需在高温高压极端条件下具有结构稳定性和高强度的关键热端材料。现有多主元难熔合金由于晶粒粗化、界面弱结合等原因导致高温结构不稳定，合金的高温强度亟需进一步提高。对此，湖南大学材料科学与工程学院徐先东-陈江华教授团队与武汉理工大学沈强教授团队、美国约翰-霍普金斯大学陈明伟教授（M.W. Chen）、美国田纳西州立大学聂台冈教授（T.G. Nieh）、香港城市大学刘锦川教授（C.T. Liu）和湖南大学机械与运载工程学院方棋洪教授等团队合作，通过在难熔多主元合金中引入共晶碳化物设计制备了新型的Re0.5MoNbW(TaC)x难熔合金，实现了优异的高温结构稳定性和超高强度。Re0.5MoNbW(TaC)x合金微观结构可控，在多主元固溶强化和金属/碳化物界面强化的协同作用下，合金具有优异的高温强度（1473 K的压缩强度>2 GPa）；同时，金属相有利于钝化微裂纹尖端，提高共晶合金的室温塑性。多主元金属-碳化物难熔共晶合金的设计思路可为开发下一代超高温材料提供科学策略。相关论文以题为“Metal-carbide eutectics with multiprincipal elements make super refractory alloys”发表在国际期刊《Science Advances》上。该论文以徐先东教授课题组博士后魏琴琴博士为论文第一作者，以徐先东、沈强、聂台冈、陈明伟和陈江华等教授为论文共同通讯作者，是国内外多个大学和多个团队密切合作的成果。该工作得到了国家自然科学基金以及中国博士后基金支持。论文链接：https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abo2068在这项工作中，研究者们通过成分调控和电弧熔炼技术制备得到具有完全共晶结构的Re0.5MoNbW(TaC)0.9合金，合金由多主元固溶体相（BCC）和多组元碳化物相（FCC-MCC）交替分布组成，两相具有近似Kurdjumov-Sachs取向关系：i.e. (011)BCC // (111)carbide, [111]BCC // [101]carbide，相界面为具有低界面能的锯齿状半共格界面。图1.铸态Re0.5MoNbW(TaC)x合金的（A）低倍微观结构和（B, C）共晶组织中异相界面结构。Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金具有优异的高温力学性能，在1473 K压缩时屈服强度为1.08 GPa，压缩强度为2.12 GPa，同时具有良好的室温加工性（塑性为8.5%）。相比于传统的Ni基合金、NiAl-Mo合金、W/Mo合金、以及难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强度和压缩强度明显更高。在这种共晶结构中，碳化物中形成的微裂纹有利于缓解界面应力集中，且具有较好塑性的BCC相钝化微裂纹尖端以阻碍裂纹扩展，从而提高合金的室温塑性。更为重要的是，不同于传统合金，多主元金属-碳化物共晶合金高温压缩后组织结构稳定，没有发现晶粒粗化、界面滑移和动态回复等以原子扩散控制的高温软化现象。从组成成分和结构的角度来看，多主元成分组成导致的缓慢扩散和金属-碳化物半共格界面的良好热/机械稳定性共同实现了合金优异的高温结构稳定性和超高高温强度。图2.（A-C）Re0.5MoNbW(TaC)x合金的室温和高温压缩性能；（D, E）Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金与传统合金和多主元合金的高温强度对比，显示了Re0.5MoNbW(TaC)0.9完全共晶合金的超高强度。图3.（A-C）Re0.5MoNbW(TaC)x合金压缩后的微观结构；（D, E）1473 K压缩后碳化物中的层错结构；（F）异相界面高分辨图显示了位错起源；（G）共晶结构演变示意图。图4.Re0.5MoNbW(TaC)0.9合金铸态和压缩后BCC/碳化物异相界面的高分辨图，显示了两相取向关系变化，表明金属-碳化物异相界面优异的热/机械稳定性。综上所述，研究者们开发了一种新型的多主元金属-碳化物难熔共晶合金，在1473 K下具有优异的结构稳定性和超高强度。高温下，层状碳化物骨架承载载荷，多主元固溶强化、晶界强化和第二相强化的共同作用实现了合金优异的高温性能；室温下，层状金属相缓冲微裂纹扩展以提高合金塑性。这种创新微观结构的成功开发为研发高性能高温材料开辟了一条新途径。
参考资料：http://clxy.hnu.edu.cn/info/1067/5656.htm
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