基于相工程策略的延性难熔高熵合金激光熔覆沉积制备

来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会
供稿人：蔡江龙、张航
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

2004年，中国台湾学者叶均蔚教授摆脱传统合金的研发思路，提出了“多主元”合金的设计新理念。“多主元”合金通常由四种或四种以上金属元素以原子百分数5%~35%固溶组成，因此也被称为高熵合金。高熵合金具有以下优异性能：超高硬度，高强度和高延展性，杰出的热稳定性，良好的耐磨性，耐腐蚀性，良好的抗氧化性等。难熔高熵合金（Refractory High Entropy Alloys, RHEAs）是由高熔点元素W、Ta、Nb、Mo、Hf、Re等组成的高熵合金，其特点是高强度、高密度。相对于常规高熵合金而言，其在高温下仍能保持高强度，且具有良好的热稳定性。因此，RHEAs的研究对航空航天领域的发展有重大意义。

然而，RHEAs高熔点、高强度、高硬度优势也造成其采用传统的冶金、铸造、机械加工等技术难以甚至无法成形复杂结构零件。激光熔覆沉积（LCD）技术是一项快速发展的激光增材制造技术，可实现RHEAs的高自由度制备。材料本身的脆性和LCD高温度梯度的成形方式使得RHEAs的室温延展性极差，因此提高RHEAs的延展性是解决其无法投入应用市场的关键。浙江大学和湖南大学Shuyuan Gou等采用LCD制备了TiZrHfNbx(x= 0.6, 0.8, 1.0) RHEAs。增加Nb含量可以稳定BCC相，抑制ω相的形成。这种阶段工程策略将力学性能从脆性断裂转变为韧性断裂。结果显示，LCD制备的TiZrHfNb合金的室温拉伸屈服强度为1034 MPa，延展性为18.5%。固溶强化有助于提高拉伸屈服强度，局部化学成分波动促进位错相互作用，产生较大的延性。这一研究解决了LCD制备RHEAs延展性差的问题。

图1 LCD制备的TiZrHfNb合金的相和组织

图2 LCD制备的TiZrHfNbx(x= 0.6, 0.8, 1.0)合金的力学性能以及断口形貌

采用LCD成形延性RHEAs技术对核工程、航空航天、武器装备等领域耐高温核心构件制造具有突出优势，为这些零件的制造带来颠覆性的创新思路。对该技术的材料和工艺开展基础研究具有重要科学意义和工程价值，为我国高端装备制造提供坚实保障和技术支撑。

参考文献：
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.