难熔高熵合金激光增材制造： 研究进展与展望

来源： 稀有金属RareMetals

难熔高熵合金（RHEAs）是一类以Nb，Mo，W，Ta等难熔元素为主元的高熵合（HEAs），具有简单的相结构和优异的高温综合力学性能，在航空航天、核能和石油等领域具有广阔的应用前景。由于RHEAs室温脆性难加工的特点，传统的工艺方法在制备RHEAs时存在制造过程复杂、周期长、材料利用率低、成本高等诸多问题，极大地限制了RHEAs的发展和应用。激光增材制造（LAM）技术因其能实现复杂零件的直接自由成形，而逐渐成为制备RHEAs的一条重要途径，为RHEAs的研发和应用带来了新的契机。对近年来激光增材制造RHEAs的研究现状进行了综述，介绍了激光增材制造RHEAs的成形特性，分析了RHEAs打印件的相组成和显微组织特征，总结了打印件的显微硬度、压缩强度以及耐磨、耐腐蚀和抗高温氧化性能。最后归纳出目前激光增材制造RHEAs的现存问题，并对其未来的发展趋势进行了展望。

图1 LMD和SLM工艺原理图

图2 RHEAs主要难熔元素和常用附加元素的熔点和沸点

图3 直接沉积和重熔策略沉积单道熔覆层表面以及薄壁试样纵截面的SEM图像和能谱(EDX)元素分布图

图4 优化打印参数前后试样应力分布状态以及样件

图5 MoNbTaW系RHEAs在300 ℃下的四元相图

图6 LMD和VAM成形WNbMoTa合金晶粒的SEM图像， SLM成形WMoTaNbV合金的枝晶间偏析， LMD成形TiZrNbHfTa合金棒状试样纵截面SEM图像和不同区域对应的EBSD图像

图7 不同成分MoNbTaW RHEAs的晶粒分布EBSD图像、 相应的极图和沿沉积方向的元素和硬度分布

图8 SLM成形NbMoTaTixNiy HEAs的室温压缩性能以及不同温度下SLM成形NbMoTaTi0.5Ni0.5 HEAs的压缩性能

图9 不同Nb含量MoFe1.5CrTiWAlNbx合金的磨损量及摩擦系数曲线，涂层表面磨痕SEM形貌，C14-Laves相TEM图片及其相应的衍射斑点

图10 316L不锈钢以及SLM成形MoNbTaW合金的腐蚀形貌

全文小结
从研究现状来看，目前研究者在激光增材制造RHEAs工艺优化、组织和力学性能调控方面都取得了一定的进展。通过工艺调整可以实现部分RHEAs的良好成形，整体表现出优异的力学性能。基于高通量的原位合金化设计，对RHEAs的快速筛选也有着显著的效果。总体而言，激光增材制造RHEAs展现出了可观的应用前景。但在激光增材制造过程中，对材料特性与制备工艺的调控仍需深入研究。此外，实现成形质量和尺寸的突破仍是需要面临的一大难题。因此，针对激光增材制造RHEAs现阶段存在的问题，未来可以从以下几个方面继续开展研究：
1．开发适用于增材制造的RHEAs材料体系。目前激光增材制造RHEAs多沿用传统制造技术中成分相似的粉末材料。但SLM是一个复杂的热力耦合过程，所用粉末材料需要考虑激光吸收率、熔化温度、流动性、热稳定性和抗开裂能力等诸多因素。传统体系合金粉末在SLM时普遍存在开裂问题，极大限制了激光增材RHEAs的发展。因此，有必要针对SLM工艺特性，开发适用的新合金体系。其中，基于SLM高通量设计进行原位合金化和成分梯度材料制备，可对材料的显微组织和力学性能进行快速表征测试，实现合金成分的快速筛选。
2．进一步开发和优化激光增材制造RHEAs工艺。为实现激光增材制造RHEAs零件的高质量成形，可从以下两个方面对激光增材制造RHEAs的工艺进行改善。一是深入了解成形过程，如光粉作用机制，熔池演变规律，冶金缺陷的形成机制等。借助在线监测和原位同步成像，对成形过程进行实时监测，以便及早发现缺陷并进行调控。二是研究激光增材制造RHEAs工艺与显微组织、力学性能之间的关系，建立激光增材制造RHEAs的性能评价体系，以指导工艺标准的制定。
3．探索激光增材制造RHEAs 的高温服役性能。RHEAs简单稳定的相结构赋予了其优异的高温力学性能。作为新一代的高温合金，其未来瞄准的是航空航天、军工装备及核能化工等对热端部件要求较高的领域内的应用。但是，目前对激光增材制造RHEAs高温服役性能的研究还不够深入和全面。需进一步理解激光增材制造RHEAs的高温服役行为和失效机制，包括高温蠕变、疲劳、氧化、腐蚀和辐照等。研究其在高温服役环境下相组成、晶粒结构等显微组织的稳定性，明析其组织结构演变规律对合金高温性能的影响机制，为激光增材制造RHEAs的服役性能优化及其工程应用奠定理论基础。

作者简介
张文军1,2，伊浩1,2，曹华军1,2，黄健康3
（1.重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400030；2.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044；3.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室， 甘肃 兰州 730050）

引用本文
张文军，伊 浩，曹华军，黄健康. 难熔高熵合金激光增材制造：研究进展与展望[J]. 稀有金属，2022，47(5): 601-617.
Zhang Wenjun，Yi Hao，Cao Huajun，Huang Jiankang. Laser Additive Manufacturing of Refractory High Entropy Alloys：Research Progress and Prospects[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2022, 47(5): 601-617.