浙大&湖南大學(xué)《Acta Materialia》：首次實(shí)現(xiàn)激光增材制造難熔高熵合金拉伸塑性！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程  

難熔高熵合金具有高的熔點(diǎn)、良好的高溫強(qiáng)度及抗軟化性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代高溫應(yīng)用的潛在材料。傳統(tǒng)的制備方式，如電弧熔煉，易于引起難熔高熵合金基體嚴(yán)重的元素偏析，且樣品尺寸受限于熔爐或鑄造模具，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。激光增材制造，因其逐層成型的工藝特點(diǎn)，使得復(fù)雜零部件和大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。然而，已報(bào)道的激光增材制造難熔高熵合金表現(xiàn)出明顯的室溫脆性，且打印樣品中通常分布著大量的裂紋和孔隙，導(dǎo)致較差的壓縮性能。更為關(guān)鍵的是，激光增材制造難熔高熵合金還未見拉伸性能報(bào)道，這極大限制了其工程化應(yīng)用。

近日，浙江大學(xué)劉嘉斌副教授團(tuán)隊(duì)與湖南大學(xué)雷智鋒教授團(tuán)隊(duì)調(diào)控增材制造Ti-Zr-Hf-Nb基難熔高熵合金中的Nb含量，發(fā)現(xiàn)，增加Nb含量穩(wěn)定bcc結(jié)構(gòu)的同時(shí)，抑制了w 相析出，突破了增材制造難熔高熵合金室溫脆性限制。采用激光增材技術(shù)制備的TiZrHfNb合金展示出優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性，屈服強(qiáng)度為1034 MPa，拉伸延伸率達(dá)到18.5%。相關(guān)結(jié)果以“Additive manufacturing of ductile refractory high-entropy alloys via phase engineering”標(biāo)題發(fā)表在《Acta Materialia》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S135964542300112X

該研究結(jié)合SEM, TEM, STEM及中子散射等多種表征手段解析了激光增材打印難熔高熵合金的高強(qiáng)度及優(yōu)異延伸率的起源。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度主要來(lái)源于高熵合金內(nèi)多種元素混合導(dǎo)致的固溶強(qiáng)化，此外，合金中的局部化學(xué)波動(dòng)誘導(dǎo)了位錯(cuò)相互反應(yīng)，進(jìn)而提高其延伸率。該研究首次在激光增材制造難熔高熵合金中實(shí)現(xiàn)了拉伸塑性，為難熔高溫合金的制備提供了新方法。

本論文的第一單位為浙江大學(xué)，勾淑媛博士生為第一作者，高銘余博士生為共同第一作者；浙江大學(xué)劉嘉斌副教授為通訊作者，浙江大學(xué)王宏濤教授、湖南大學(xué)雷智鋒教授為共同通訊作者。

圖1. (a)激光增材打印示意圖。(b) TiZrHfNb的YZ截面圖。(c)三維重構(gòu)TiZrHfNb難熔高熵合金的YZ-、XZ-和XY-截面反極圖。打印合金具有近似等軸晶組織。(d)粒度分布。平均晶粒尺寸為162.3 mm。(e) TiZrHfNb 的SEM圖和相應(yīng)的(f) Ti、Zr、Hf和Nb元素分布。合金基體中沒有出現(xiàn)明顯的元素偏析。

圖2. 激光增材打印TiZrHfNbx 的相演化。(a) TiZrHfNbx 的XRD圖。(b) TiZrHfNb0.6和(c) TiZrHfNb的EBSD圖。 (d-f) TiZrHfNb0.6的TEM明場(chǎng)圖，相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖和暗場(chǎng)圖。(g) TiZrHfNb 的TEM明場(chǎng)圖(插圖為選區(qū)電子衍射圖)。

圖3. 激光增材打印TiZrHfNbx的力學(xué)性能和斷口形態(tài)。（a）TiZrHfNbx不同Nb含量和不同加載方向的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）TiZrHfNb和其它增材制造的鈦合金、高溫合金及電弧熔煉的難熔高熵合金的屈服強(qiáng)度-延伸率比較。（c）(d)變形的TiZrHfNb0.6和TiZrHfNb斷口形態(tài)。

圖4. 激光增材打印TiZrHfNb 變形后微觀組織。(a)側(cè)面SEM圖。觀察到明顯的滑移/剪切帶(見黃色箭頭)。(b) EBSD反極圖。(c)對(duì)應(yīng)區(qū)域的GND圖。(d)沿變形帶的局部取向變化。(e)斷裂區(qū)域附近的XRD圖。拉伸變形過(guò)程中不發(fā)生孿晶或相變。斷口附近的TEM圖：(f)高密度位錯(cuò)，(g)長(zhǎng)而直的位錯(cuò)，(h)位錯(cuò)割階(黃色箭頭)和位錯(cuò)環(huán)(紅色箭頭)(衍射矢量為[200])。變形過(guò)程中出現(xiàn)多種位錯(cuò)相互作用。