激光增材制造制备具有高比屈服强度和优异的延展性的轻质难熔高熵合金

来源：增材在线

轻质难熔高熵合金（LRHEA）比其他难熔高熵合金具有更低的密度和更好的延展性，这赋予它们在不同工程领域的广泛应用前景。激光定向能量沉积增材制造(LDED)技术因其卓越的属性（例如快的冷却速率和设计灵活性）而成为制备此类难熔金属的理想工艺。2023年10月11日，北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院王华明院士、朱言言副研究员团队在《Additive Manufacturing》（中科院1区，Top，影响因子11）期刊发表最新研究成果“High specific yield strength and superior ductility of a lightweight refractory high-entropy alloy prepared by laser additive manufacturing”，通过LDED制备了新型LRHEA Al0.3NbTi3VZr1.5，并进行了全面的研究以探索其微观结构演变和塑性变形机制。朱言言副研究员为通讯作者。

结果表明
在沉积样品中检测到具有体心立方(BCC)的基体、晶界附近的Laves相以及基体中粗化ω颗粒的分级微观结构。在固溶处理(SST)样品中，Laves相消失，ω颗粒尺寸减小，与基体形成纳米级两相混合物。沉积态样品表现出明显的脆性断裂，断裂强度为902MPa，断裂应变为1%。而SST样品表现出约25±2%的相当大的断裂应变，屈服强度为1032±12MPa，比屈服强度为180MPa·g−1·cm3。高强度主要归功于固溶强化，而优异的延展性则通过激活独特的变形机制（包括多级微带的形成和扭结）来实现。微带间距的细化导致更多的塑性变形，而横向滑移进一步细化了三个维度上的微带间距。微带引起的扭结有效地缓解了局部应力集中并减缓了断裂。这项工作为利用增材制造技术设计和制备LRHEA提供了新的见解，并为全面、深入地理解其塑性变形机制做出了显着贡献。

工作亮点

（1）LDED制备的额Al0.3NbTi3VZr1.5合金具有出色的强度-延展性匹配。

（2）高强度主要归功于固溶强化效应。

（3）纳米级ω粒子诱导包含位错的共面滑移微带。

（4）横向滑移和扭结行为可实现稳定的塑性变形。

论文图片

图1. 微观组织结构：(a) 沉积态样品XOZ 截面的微观结构。(b) 一次凝固熔融区的 OM图像。(c) (b)中局部放大区域的 SEM 图像。(d) 熔合线附近重熔晶粒的 OM图像。(e) (d) 中局部放大区域的 SEM 图像。(f) 沿 Z 方向的 EBSD 结果。(g) 沉积样品标记区域的照片和 EDS面扫结果。

图2. 沉积样品的 TEM 表征。(a) 沉积样品的 BCC 基质和 AlZrV 相的明场图像。(b) 沉积样品的 ω 和 AlZrV 相的明场图像。(c) 沉积样品的 BCC 矩阵中 ω 相的分布和尺寸统计。(d) AlZrV 相和 BCC 基体的衍射图案，对应于 (a) 中的红色圆圈。(e) BCC 基质和 AlZrV 相的元素比较。(f) 对应于(b)中白色圆圈的BCC矩阵和ω相的衍射图案。

图3. 沉积态样品和 SST 样品的机械性能。(a) 室温拉伸工程应力-应变曲线。插图：（a）中黑色矩形框的局部放大。(b)SST样品的真应变-应力曲线和应变-应变硬化率曲线。(c) SST 样品与先前报道的 RHEA 的室温拉伸应力-应变和 (d) 拉伸比屈服强度-应变之间的比较。

关键结论

该研究中的低密度LDED增材制造Al0.3NbTi3VZr1.5合金表现出优异的强度-延展性匹配。对微观结构演变和变形机制的进一步研究得出以下主要结论：

1. 沉积态样品沿沉积方向呈现出柱状晶和等轴晶的规则交替晶粒形貌，这与局部熔池内的成核和生长机制以及沉积过程中的热循环有关。沉积态样品的微观结构由BCC基体、Laves-AlZrV相和粗化的ω相组成，而SST样品的微观结构由BCC基体和纳米分散的ω相组成。

2. SST表现出优异的延展性（~25%断裂应变），屈服强度超过1 GPa，比强度为180 MPa·g−1·cm3，而沉积态样品表现出明显的脆性断裂，这主要归因于富集GB附近的Laves阶段。

3. 合金的高强度主要归功于固溶强化效应。在变形的初始阶段（第一阶段），纳米级ω粒子诱导了包含位错的共面滑移微带。微带间距和横向滑移的细化使得第一阶段能够持续稳定的塑性变形。在变形后期（第二阶段），微带引起的扭结行为有效地缓解了局部应力集中，并有效地阻止了断裂扩展。上述机制为对抗现有RHEA的室温脆性提供了创新的解决方案。

通讯作者
朱言言，1989年9月出生，北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院，副研究员，博士生导师。于2016年在北航材料与工程学院获得博士学位，2016年11月-2019年9月北航大型金属构件增材制造国家工程实验室做博士后研究，2019年9月入职北航前沿院工作至今。获得了2016年首届国家博士后创新人才支持计划、2019年北航卓越百人计划和2021年北航青年拔尖计划。研究领域为金属增材制造技术，主要研究方向包括：（1）增材制造高性能金属材料组织性能调控与力学行为研究，（2）融合传统制造与增材制造的复合制造技术与性能调控研究，（3）激光增材制造专用新型高性能金属材料研发，（4）高强高韧钛合金研究。作为负责人主持了2016年国家博新计划项目、第62批博士后基金面上项目（一等）、2018年国家自然基金青年基金和2020年面上项目等科研项目，作为主要成员参与了国家重点研发计划、北京市科技计划等10多个重大科研项目研究。发表SCI论文15篇、申请专利4项。受邀担任Mater Des, JAC等多个期刊的审稿人，研究成果获得nature、science、PMS等材料顶刊引用。

论文引用
Zhang Y, Wang H, Zhu Y, et al. High specific yield strength and superior ductility of a lightweight refractory high-entropy alloy prepared by laser additive manufacturing[J]. Additive Manufacturing, 2023: 103813.

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103813