技術名稱 高熵超合金
計畫單位 國立清華大學
計畫主持人 葉安洲
技術簡介
渦輪引擎廣泛被應用於航空、能源、國防、海運等產業,其運作效率取決於引擎內部關鍵零組件的耐熱度,因此過去鎳基超合金為渦輪葉片和渦輪盤的首選材料。然而,在面臨節能減碳的國際趨勢,密度高且價格昂貴的鎳基超合金漸漸不符合時勢所需,而當前的研發方向朝向優化合金成分以提高整體性價比,但此方法受限於鎳基合金系統的成分範圍,只能有限度地降低合金材料成本及密度。
高熵合金(High Entropy Alloy, HEA)是台灣首創的新合金研究領域,其理念是藉由多元主成分元素的新合金設計來突破傳統合金以單一元素為主的概念,以廣大的合金設計成分範圍來創造並超越傳統合金的性能表現。已有不少研究顯示出高熵合金的高強度表現在應用上的潛力,舉例來說:CoCrFeMnNi合金在極低溫環境下可兼具高強度與良好的延展性。另一方面,有些多相的高熵合金可藉由析出介金屬化合物(如:B2, σ或 Laves相)以獲得大量硬度及磨耗組抗能力的提升,但這些硬脆的介金屬化合物卻會破壞合金的延展性。為了開發適合高溫應用的高熵合金,本計畫發展高熵基底γ相和中熵L12 γ′析出相的結構,可提供顯著的強化效果,同時讓合金本身保有一定延展性。這類的合金命名為高熵超合金(High Entropy Superalloy, HESA),其熵值(ΔSconf. = 1.63 R)符合高熵合金之定義(ΔSmix ≥ 1.5 R),密度僅為7.96 g/cm3,比較傳統超合金CMSX-4之8.69 g/cm3為低,而其合金原料成本相較CMSX-4更可降低84 %以上。此合金之優勢為多元合金系統可利用製程控制介穩態相變化以產生階層結構(Hierarchical Microstrucutre),而此階層結構可提供額外的強化效果,使HESA強度超越傳統合金,創造更強、更輕、更便宜、延展性更好的新型高溫合金系統,並依此建立新的合金設計準則。本技術已經取得中華民國和美國專利,有望未來能取代進口鎳基超合金,並應用於無人機、微型發電機、車用渦輪等產業。此外,後疫情時代明顯導致各國貿易壁壘高築,我國應加速建立關鍵材料自主技術,以降低海外依賴度及斷鍊情事。
科學突破性
高熵超合金-比傳統超合金更強、更輕、更便宜、延展性更好的新型高溫合金系統,其材料組織具備高熵基底FCC γ相和中熵L12 γ′析出相的結構,可提供顯著的高溫強化效果,另可利用製程控制介穩態相變化以產生階層結構,提供額外的強化機制。
產業應用性
高熵超合金技術已經取得中華民國和美國專利,有望未來能取代進口鎳基超合金,並應用於無人機、微型發電機、車用渦輪等產業。此外,後疫情時代明顯導致各國貿易壁壘高築,我國應加速建立關鍵材料自主技術,以降低海外依賴度及斷鍊情事。
關鍵字 高熵合金 高熵超合金 超合金 高溫強度 高溫氧化腐蝕阻抗 渦輪引擎 鑄造 鍛造 葉片 渦輪盤
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  • 葉安洲
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