Das Team entwirft eine nitridverstärkte feuerfeste NbMoTaWHfN-Legierung mit hoher Entropie

Für Flugtriebwerke, Gasturbinen und Kernkraftwerke besteht ein dringender Bedarf an einer neuen Generation feuerfester Legierungen mit hervorragender Hochtemperaturleistung. Da die Betriebstemperatur ihrer Hot-Ends 1800 °C oder sogar mehr erreicht, können herkömmliche Superlegierungen die Temperaturanforderungen kaum erfüllen. Refraktäre Hochentropielegierungen (RHEAs) bestehen hauptsächlich aus hochschmelzenden Metallelementen und weisen bei Temperaturen über 1.200 °C eine erhöhte Festigkeit auf, was ihnen große Aufmerksamkeit verschafft.

Es wurden einige lehrreiche Arbeiten durchgeführt, um neue Legierungen mit verbesserter Duktilität und erhöhter Hochtemperaturfestigkeit für technische Anwendungen zu entwickeln, indem andere Elemente auf Basis von NbMoTaW- und TiZrHfNb-RHEAs wie Ti, Zr, Hf, Re, Si, C und N hinzugefügt wurden. Der Hauptverfestigungsmechanismus ist die Festlösungsverfestigung, die Zweitphasenverfestigung und die hohe Erweichungstemperatur. Wenn sich eine große Anzahl gelöster Atome um Versetzungen herum ansammelt, behindern sie die Bewegung der Versetzungen.

Wenn eine sich bewegende Versetzung auf die zweite Phase trifft, bildet sich ein Versetzungsring, der die erforderliche äußere Kraft erhöht, die die Verformungskraft bereitstellt. Außerdem hängt die Hochtemperaturfestigkeit im Allgemeinen von der Erweichungstemperatur ab. Die Erweichungstemperatur einer Legierung beträgt etwa 0,6 Tm (wobei die Schmelztemperatur Tm in K angegeben wird). Leider wurde bislang nur wenig über Legierungen berichtet, die bei 1.800 °C oder mehr vielversprechende technische Anwendungsfestigkeiten aufweisen.

In Anbetracht der Hochtemperaturfestigkeit des NbMoTaWHf-RHEA und der hervorragenden thermischen Stabilität von Nitriden scheint die sekundäre Verfestigung von Nitriden auf einer NbMoTaWHf-Basislegierung ein effizienter Ansatz zu sein, um die „Win-win“-Situation von hoher Temperatur und hoher Festigkeit zu verwirklichen bei ultrahohen Temperaturen.

Ein Forschungsteam am Defence Innovation Institute of China unter der Leitung von Professor Xiubing Liang hat eine nitridverstärkte feuerfeste NbMoTaWHfN-Hochentropielegierung entwickelt, die bei Temperaturen zwischen 1.000 und 1.800 °C extrem hohe Druckstreckgrenzen aufweist. Die Ergebnisse werden in veröffentlicht Maschinenbau.

Dieses Team untersuchte die Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften des NbMoTaW(HfN)X (x = 0, 0,3, 0,7 und 1) RHEAs zuerst. Die Legierungen bestehen aus mehreren Phasen kubisch raumzentrierter Phasen (BCC), Hafniumnitridphasen (HfN) oder Mehrkomponentennitridphasen (MN). Mit zunehmendem x-Gehalt wird die Korngröße kleiner und die Festigkeit nimmt allmählich zu.

Anschließend untersuchte das Team die Phasenkonstitution und die Hochtemperatureigenschaften des NbMoTaWHfN-RHEA, da es typische Mikrostrukturen und bessere mechanische Eigenschaften besitzt. Die Druckstreckgrenzen des NbMoTaWHfN-RHEA bei Umgebungstemperatur, 1.000 °C, 1.400 °C und 1.800 °C betrugen 1.682 MPa, 1.192 MPa, 792 MPa bzw. 288 MPa. Die Hochtemperaturfestigkeit dieser Legierung ist ein inspirierendes Ergebnis, das die Hochtemperatur- und Festigkeitsfestigkeit der meisten bekannten Legierungen übertrifft, einschließlich hochentropischer Legierungen, hochschmelzender Metalle und Superlegierungen.

In der Arbeit diskutieren die Forscher den Phasenbildungsmechanismus der HfN- und MN-Phasen unter dem Aspekt der Mischungsenthalpien. Dann ist der Verstärkungsmechanismus von NbMoTaW(HfN)X bei Umgebungs- und erhöhten Temperaturen wird diskutiert. Die HfN-Phase hat aufgrund ihrer hohen Strukturstabilität und langsamen Kornvergröberung einen erheblichen Einfluss auf die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung.

Abschließend diskutiert die Forschung die überlegenen mechanischen Eigenschaften des NbMoTaWHfN-RHEA im Vergleich zu verschiedenen Legierungen. Seine überlegenen Eigenschaften verleihen dem NbMoTaWHfN-RHEA das Potenzial für weitreichende technische Anwendungen bei ultrahohen Temperaturen, beispielsweise in Flugzeugtriebwerken und Bodengasturbinen.