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  • 难熔高熵合金在航空发动机上的应用

    作者:admin发表时间:2022-09-17

      魏耀光;郭刚;李静;曾一畔;何婧 【摘 要】航空材料要求具有较高的强度、低的密度、优良的耐腐蚀及抗疲劳等性 能,发动机材料更需要耐高温性能.含有高熔点难熔金属元素的高熵合金(high entropy alloys,HEAs)在高温环境下显示出了优异的材料性能.目前,共有 120 余种 难熔高熵(refractory high entropy alloys,RHEAs)被合成,并对其物理和力学特性 如密度、拉伸性能、压缩性能、弹性模量和抗氧化性等进行了实验测试.本文对 RHEAs 和传统典型航空材料的性能参数进行了总结,绘制了高温情况下的密度、屈 服强度极限的对比图表,多数 RHEAs 显示出较高的力学强度和组织稳定性. 【期刊名称】《航空材料学报》 【年(卷),期】2019(039)005 【总页数】12 页(P82-93) 【关键词】航空材料;难熔高熵合金;密度;屈服强度;高温 【作 者】魏耀光;郭刚;李静;曾一畔;何婧 【作者单位】航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610091;航空工业成 都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610091;航空工业成都飞机工业(集团)有限责 任公司,成都 610091;航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610091;航 空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610091 【正文语种】中 文 【中图分类】V252.4

      高熵合金(high entropy alloys,HEAs)是一种近年来受到关注的新兴材料。传 统的金属合金是以一种或两种金属元素为主要成分,再添加微量的其他金属元素组 成,而 HEAs 是一种使用 4 种或以上金属元素,以同等或近乎同等摩尔分数构成 的合金[1]。HEAs 具有众多的组合方式和广阔的研究空间,例如,从 12 种金属元 素中,任意选用 5 种来合成 HEAs,将有 3302 种[2]组合方式。若考虑 20 种金属 元素,其 HEAs 可能的组合方式将达到 2000 万种。 2004 年,Cantor 等[3]合成了一种只有单一的 FCC 相的 FeCrMnNiCo 合金,同 年,Ye 等[4]研究了 CuCoNiCrAlxFe 合金,并将其命名为高熵合金。从那时起, HEAs 开始被广泛研究。 在众多 HEAs 中,有些含有钨、铌、钒、锆、铼、铬、钼等难熔金属元素(熔点达 1650 ℃[5]以上),Miracle 等[6]将含有三种及以上难熔金属元素的高熵合金称为 难熔高熵合金(refractory high entropy alloys,RHEAs)。与镍基高温合金相 比,RHEAs 在室温和高温环境下都具有较高的力学强度。 尽管关于 HEAs 的研究已经发展了十余年,也有文章提及了其未来可能应用在半导 体、超导体、航空领域[1, 3]和涡轮发动机[7]上,但是据作者所知,HEAs 仍未进 行工业化应用。本文对所有 RHEAs 的物理和力学性能进行总结,并绘制 RHEAs 与航空材料在高温情况下的密度、屈服强度极限的对比图表。 1 RHEAs 研究现状 RHEAs 的研究起于 2010 年,自 2014 年起,其论文的发表数量呈现出爆发式的 增长(见图 1)。 Senkov 等[8]统计了 151 种 RHEAs,但是仅有 122 种进行了拉伸或者压缩力学性 能实验。 从难熔金属元素的使用频次来看(图 2),在研究过的 RHEAs 中,Nb 是使用频

      率最高的元素,将近 Mo 元素的两倍。其最直接的原因是 Nb 拥有最高的熔点密 度比(熔点/密度),含有 Nb 金属的高熵合金具有较高的熔点和较低的密度。有 趣的是,Re 金属还未曾使用过,相比其他难熔金属,尽管其具有最高的熔点和良 好的力学性能,但其超高的密度和昂贵的价格,也使研究者们望而却步。另外,Ti 因为在中高等温度下具有良好的强度、抗氧化性和较低的密度,也是 RHEAs 中使 用最为频繁的一种金属元素。 2 RHEAs 室温性能 RHEAs 在室温下的拉伸或压缩屈服强度及伸长率见表 1。其中,79 种合金显示出 较高的压缩屈服强度,其余合金也具有较高的拉伸屈服强度。在室温下,RHEAs 的屈服强度可达 735~2612 MPa。 图 1 难熔高熵合金论文发表的数量统计 Fig. 1 Quantity statistics of published papers about RHEAs 图 2 构成难熔高熵合金的元素统计 Fig. 2 Statistics of elements utilized in RHEAs 图 3 为 63 种 RHEAs 与典型航空材料及钢的屈服强度和密度的分布对比情况。 RHEAs 的密度范围跨度较广,从 5590 kg/m3 到 13750 kg/m3 (NbMoTaW[13])。相比钛合金,尽管 RHEAs 具有较高的密度,然而,也有几 乎近半数的 RHEAs 比镍合金的密度低,主要原因是这些 RHEAs 中添加了 Al、Ti 等轻金属元素[34]。比如,Al 元素的使用将 HfNbTaTiZr 合金的密度由 9720 kg/m3 降低至 8910 kg/m3((HfNbTaTiZr)。在所有合金中,Alx(NbTiVZr) y 组合类合金具有最低的密度值(仅 5.6 到 5.9 g/cm3)[8]。总体来看,带有 Al 金属的 RHEAs 的密度均比镍合金的密度(8300 kg/m3)低。 值得一提的是,虽然 Al 金属的力学强度较低,但是添加了 Al 金属的 RHEAs 的强 度并没有降低。例如,在 Alx(HfNbTiZr)100-x 高熵合金中,随着 Al 金属含量

      在已发表的文献中,只搜集到了 6 种 RHEAs 在高温情况下的弹性模量,其变化趋 势见图 8。与镍基高温合金和不锈钢相比,RHEAs 具有较低的弹性模量和比模量 (单位密度的弹性模量)。然而,这 6 种 RHEAs 可以承受更高的温度。当温度升 至 600 ℃时,Ti6242 和 4340M 已经没有对应的值可以参考了,但是所有的 RHEAs 仍然能够保持缓慢的降低趋势。在 1000 ℃下,Hastelloy X 合金与 RHEAs 具有比较相似的弹性模量。Hastelloy X 在高温下,具有最高的弹性模量 和比模量,但是当温度上升至一定程度,下降趋势也非常的明显。相反的, RHEAs 的下降趋势非常缓慢,从另一方面可以显示出 RHEAs 具有较强的组织稳 定性。从趋势线可以预测,当温度上升至 1200 ℃,RHEAs 的弹性模量和比模量 可能超过 Hastelloy X 合金,并可稳定维持在更高的温度下。 图 8 RHEAs 与典型航空材料在高温的弹性模量变化趋势(椭圆标注的为压缩性能) (a)弹性模量;(b)比弹性模量 Fig. 8 Change trend of Young’s modulus of RHEAs and traditional aeronautical alloys at high temperatures (elliptically marked are compressive properties) (a)Young’s modulous;(b)specific Young’s modulous 总共测试过 20 种 RHEAs 在高温 700~1300 ℃的抗氧化性。与镍基高温合金 Inconel 718[37]相比,大部分的 RHEAs 在高温下已经被高度氧化(见图 9),在 1300 ℃,有些已经被完全氧化。然而,AlCrMoTaTi 却表现出较好的抗氧化性, 在 1000 ℃的温度下,其抗氧化性与镍基高温合金 Inconel 718 相似。 从图 9 中可以看到金属元素对 RHEAs 抗氧化性的交互影响。一些轻金属如 Al、Si 和 Ti 可以明显地提升其抗氧化能力[8]。通过图 9 的对比可以看出,在 800 ℃下, 随着铝含量的增加氧化层的质量变化在降低。事实上 Al 元素可以提升合金的抗氧 化性是由于 Al2O3[5]的生成,阻止了其继续氧化。添加 Ti 可以降低 Al0.5CrMoNbTiV[38](见图 9(b))的氧化速率。尽管在 1300 ℃,Si 的使用

      (5)相比传统航空发动机材料,RHEAs 在高温环境下具有较多的优势,有较大的

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