激光增材制造高通量合成NbMoTaW系高熵合金

作者:李青宇，李涤尘
来源：机械制造系统工程国家重点实验室

2011年，美国空军实验室Senkov [1] 提出NbMoTaW超高温高熵合金体系，其中等摩尔的NbMoTaW超高温高熵合金在在高温下展现出优异的力学性能，其1600℃下屈服强度与抗压强度分别达到405MPa和600MPa，性能优于目前常用的INCONEL 718，HAYNES 230高温合金。自此，超高温高熵合金逐渐成为业内研究热点。然而高熵合金的成分配比关系研究一直属于一个相对未被探索的准无限空间领域，等摩尔配比是否是高熵合金的最优组分一直存在一定的争议性。

Moorehead [2] 将高通量筛选技术与激光增材制造技术耦合，通过分别调整四路粉料桶的送粉速率实现对NbMoTaW高熵合金成分的重组设计，之后借助激光增材制造技术对材料进行成形制备，整个过程如图1所示。由于每种粉末元素的几何形状、反射率，蒸气压等物理变量存在差异，这些因素会对激光能量的吸收产生影响。因此，理想合金设计组分与最终合金组分往往存在差异。研究中通过多次打印与预测精化，成功缩小了预测成分与实测成分的差距。通过激光增材制造成形的NbMoTaW高熵合金组都具有类似的显微组织结构，相较于真空电弧熔炼成形的NbMoTaW高熵合金。由于快速凝固作用，其亚结构显著细化，微观偏析程度更小，如图2所示。通过X射线衍射（XRD）对31组不同成分的NbMoTaW系高熵合金进行测试，检测的所有合金中都只具有简单无序的BCC体心立方结构，如图3所示。

在这项研究中，高通量合成的NbMoTaW系高熵合金被激光增材制造技术成功成形制备，通过使用单质元素粉末可以对高熵合金中的所有元素进行任意线性组合，为未来高通量高熵合金的设计和制备奠定了基础。

图1 激光增材制造高通量合成NbMoTaW高熵合金示意图

图2 NbMoTaW高熵合金二次电子相与能谱图：a) 激光增材制造，b) 真空电弧熔炼

图3 NbMoTaW超高温高熵合金XRD图谱

参考文献：
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.