基于相工程策略的延性難熔高熵合金激光熔覆沉積制備

來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會
供稿人：蔡江龍、張航
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

2004年，中國臺灣學(xué)者葉均蔚教授擺脫傳統(tǒng)合金的研發(fā)思路，提出了“多主元”合金的設(shè)計新理念�！岸嘀髟�”合金通常由四種或四種以上金屬元素以原子百分數(shù)5%~35%固溶組成，因此也被稱為高熵合金。高熵合金具有以下優(yōu)異性能：超高硬度，高強度和高延展性，杰出的熱穩(wěn)定性，良好的耐磨性，耐腐蝕性，良好的抗氧化性等。難熔高熵合金（Refractory High Entropy Alloys, RHEAs）是由高熔點元素W、Ta、Nb、Mo、Hf、Re等組成的高熵合金，其特點是高強度、高密度。相對于常規(guī)高熵合金而言，其在高溫下仍能保持高強度，且具有良好的熱穩(wěn)定性。因此，RHEAs的研究對航空航天領(lǐng)域的發(fā)展有重大意義。

然而，RHEAs高熔點、高強度、高硬度優(yōu)勢也造成其采用傳統(tǒng)的冶金、鑄造、機械加工等技術(shù)難以甚至無法成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。激光熔覆沉積（LCD）技術(shù)是一項快速發(fā)展的激光增材制造技術(shù)，可實現(xiàn)RHEAs的高自由度制備。材料本身的脆性和LCD高溫度梯度的成形方式使得RHEAs的室溫延展性極差，因此提高RHEAs的延展性是解決其無法投入應(yīng)用市場的關(guān)鍵。浙江大學(xué)和湖南大學(xué)Shuyuan Gou等采用LCD制備了TiZrHfNbx(x= 0.6, 0.8, 1.0) RHEAs。增加Nb含量可以穩(wěn)定BCC相，抑制ω相的形成。這種階段工程策略將力學(xué)性能從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。結(jié)果顯示，LCD制備的TiZrHfNb合金的室溫拉伸屈服強度為1034 MPa，延展性為18.5%。固溶強化有助于提高拉伸屈服強度，局部化學(xué)成分波動促進位錯相互作用，產(chǎn)生較大的延性。這一研究解決了LCD制備RHEAs延展性差的問題。

圖1 LCD制備的TiZrHfNb合金的相和組織

圖2 LCD制備的TiZrHfNbx(x= 0.6, 0.8, 1.0)合金的力學(xué)性能以及斷口形貌

采用LCD成形延性RHEAs技術(shù)對核工程、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域耐高溫核心構(gòu)件制造具有突出優(yōu)勢，為這些零件的制造帶來顛覆性的創(chuàng)新思路。對該技術(shù)的材料和工藝開展基礎(chǔ)研究具有重要科學(xué)意義和工程價值，為我國高端裝備制造提供堅實保障和技術(shù)支撐。

參考文獻：
Shuyuan Gou, Mingyu Gao, Yunzhu Shi, Shunchao Li, Youtong Fang, Xinhuan Chen, Huaican Chen, Wen Yin, Jiabin Liu, Zhifeng Lei, Hongtao Wang, Additive manufacturing of ductile refractory high-entropy alloys via phase engineering, Acta Materialia, Volume 248, 2023, 118781,ISSN 1359-6454,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118781.