激光增材制造高通量合成NbMoTaW系高熵合金

作者:李青宇，李滌塵
來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2011年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室Senkov [1] 提出NbMoTaW超高溫高熵合金體系，其中等摩爾的NbMoTaW超高溫高熵合金在在高溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，其1600℃下屈服強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到405MPa和600MPa，性能優(yōu)于目前常用的INCONEL 718，HAYNES 230高溫合金。自此，超高溫高熵合金逐漸成為業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。然而高熵合金的成分配比關(guān)系研究一直屬于一個(gè)相對(duì)未被探索的準(zhǔn)無限空間領(lǐng)域，等摩爾配比是否是高熵合金的最優(yōu)組分一直存在一定的爭議性。

Moorehead [2] 將高通量篩選技術(shù)與激光增材制造技術(shù)耦合，通過分別調(diào)整四路粉料桶的送粉速率實(shí)現(xiàn)對(duì)NbMoTaW高熵合金成分的重組設(shè)計(jì)，之后借助激光增材制造技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行成形制備，整個(gè)過程如圖1所示。由于每種粉末元素的幾何形狀、反射率，蒸氣壓等物理變量存在差異，這些因素會(huì)對(duì)激光能量的吸收產(chǎn)生影響。因此，理想合金設(shè)計(jì)組分與最終合金組分往往存在差異。研究中通過多次打印與預(yù)測精化，成功縮小了預(yù)測成分與實(shí)測成分的差距。通過激光增材制造成形的NbMoTaW高熵合金組都具有類似的顯微組織結(jié)構(gòu)，相較于真空電弧熔煉成形的NbMoTaW高熵合金。由于快速凝固作用，其亞結(jié)構(gòu)顯著細(xì)化，微觀偏析程度更小，如圖2所示。通過X射線衍射（XRD）對(duì)31組不同成分的NbMoTaW系高熵合金進(jìn)行測試，檢測的所有合金中都只具有簡單無序的BCC體心立方結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

在這項(xiàng)研究中，高通量合成的NbMoTaW系高熵合金被激光增材制造技術(shù)成功成形制備，通過使用單質(zhì)元素粉末可以對(duì)高熵合金中的所有元素進(jìn)行任意線性組合，為未來高通量高熵合金的設(shè)計(jì)和制備奠定了基礎(chǔ)。

圖1 激光增材制造高通量合成NbMoTaW高熵合金示意圖

圖2 NbMoTaW高熵合金二次電子相與能譜圖：a) 激光增材制造，b) 真空電弧熔煉

圖3 NbMoTaW超高溫高熵合金XRD圖譜

參考文獻(xiàn)：
O.N. Senkov, G.B. Wilks, J.M. Scott, et al. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys[J]. Intermetallics, 2011, 19: 698-706.
Michael Moorehead, Kaila Bertsch, Michael Niezgoda, et al. High-throughput synthesis of Mo-Nb-Ta-W high-entropy alloys via additive manufacturing[J]. Materials and Design, 2020, 187: 108358.