難熔高熵合金激光增材制造： 研究進展與展望

來源： 稀有金屬RareMetals

難熔高熵合金（RHEAs）是一類以Nb,，Mo,，W，Ta等難熔元素為主元的高熵合（HEAs）,，具有簡單的相結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的高溫綜合力學性能,，在航空航天、核能和石油等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。由于RHEAs室溫脆性難加工的特點,，傳統(tǒng)的工藝方法在制備RHEAs時存在制造過程復雜、周期長,、材料利用率低,、成本高等諸多問題，極大地限制了RHEAs的發(fā)展和應(yīng)用,。激光增材制造（LAM）技術(shù)因其能實現(xiàn)復雜零件的直接自由成形,，而逐漸成為制備RHEAs的一條重要途徑，為RHEAs的研發(fā)和應(yīng)用帶來了新的契機,。對近年來激光增材制造RHEAs的研究現(xiàn)狀進行了綜述,，介紹了激光增材制造RHEAs的成形特性，分析了RHEAs打印件的相組成和顯微組織特征,，總結(jié)了打印件的顯微硬度,、壓縮強度以及耐磨、耐腐蝕和抗高溫氧化性能,。最后歸納出目前激光增材制造RHEAs的現(xiàn)存問題,，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

圖1 LMD和SLM工藝原理圖

圖2 RHEAs主要難熔元素和常用附加元素的熔點和沸點

圖3 直接沉積和重熔策略沉積單道熔覆層表面以及薄壁試樣縱截面的SEM圖像和能譜(EDX)元素分布圖

圖4 優(yōu)化打印參數(shù)前后試樣應(yīng)力分布狀態(tài)以及樣件

圖5 MoNbTaW系RHEAs在300 ℃下的四元相圖

圖6 LMD和VAM成形WNbMoTa合金晶粒的SEM圖像,， SLM成形WMoTaNbV合金的枝晶間偏析,， LMD成形TiZrNbHfTa合金棒狀試樣縱截面SEM圖像和不同區(qū)域?qū)��?yīng)的EBSD圖像

圖7 不同成分MoNbTaW RHEAs的晶粒分布EBSD圖像、 相應(yīng)的極圖和沿沉積方向的元素和硬度分布

圖8 SLM成形NbMoTaTixNiy HEAs的室溫壓縮性能以及不同溫度下SLM成形NbMoTaTi0.5Ni0.5 HEAs的壓縮性能

圖9 不同Nb含量MoFe1.5CrTiWAlNbx合金的磨損量及摩擦系數(shù)曲線,，涂層表面磨痕SEM形貌,，C14-Laves相TEM圖片及其相應(yīng)的衍射斑點

圖10 316L不銹鋼以及SLM成形MoNbTaW合金的腐蝕形貌

全文小結(jié)
從研究現(xiàn)狀來看,，目前研究者在激光增材制造RHEAs工藝優(yōu)化、組織和力學性能調(diào)控方面都取得了一定的進展,。通過工藝調(diào)整可以實現(xiàn)部分RHEAs的良好成形,，整體表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能�,；�于高通量的原位合金化設(shè)計,，對RHEAs的快速篩選也有著顯著的效果�,？傮w而言,，激光增材制造RHEAs展現(xiàn)出了可觀的應(yīng)用前景。但在激光增材制造過程中,，對材料特性與制備工藝的調(diào)控仍需深入研究,。此外，實現(xiàn)成形質(zhì)量和尺寸的突破仍是需要面臨的一大難題,。因此,，針對激光增材制造RHEAs現(xiàn)階段存在的問題，未來可以從以下幾個方面繼續(xù)開展研究：
1．開發(fā)適用于增材制造的RHEAs材料體系,。目前激光增材制造RHEAs多沿用傳統(tǒng)制造技術(shù)中成分相似的粉末材料,。但SLM是一個復雜的熱力耦合過程，所用粉末材料需要考慮激光吸收率,、熔化溫度,、流動性、熱穩(wěn)定性和抗開裂能力等諸多因素,。傳統(tǒng)體系合金粉末在SLM時普遍存在開裂問題,，極大限制了激光增材RHEAs的發(fā)展。因此,，有必要針對SLM工藝特性,，開發(fā)適用的新合金體系。其中,，基于SLM高通量設(shè)計進行原位合金化和成分梯度材料制備,，可對材料的顯微組織和力學性能進行快速表征測試，實現(xiàn)合金成分的快速篩選,。
2．進一步開發(fā)和優(yōu)化激光增材制造RHEAs工藝,。為實現(xiàn)激光增材制造RHEAs零件的高質(zhì)量成形,，可從以下兩個方面對激光增材制造RHEAs的工藝進行改善,。一是深入了解成形過程，如光粉作用機制,，熔池演變規(guī)律,，冶金缺陷的形成機制等。借助在線監(jiān)測和原位同步成像，對成形過程進行實時監(jiān)測,，以便及早發(fā)現(xiàn)缺陷并進行調(diào)控,。二是研究激光增材制造RHEAs工藝與顯微組織、力學性能之間的關(guān)系,，建立激光增材制造RHEAs的性能評價體系,，以指導工藝標準的制定。
3．探索激光增材制造RHEAs 的高溫服役性能,。RHEAs簡單穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的高溫力學性能,。作為新一代的高溫合金，其未來瞄準的是航空航天,、軍工裝備及核能化工等對熱端部件要求較高的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用,。但是，目前對激光增材制造RHEAs高溫服役性能的研究還不夠深入和全面,。需進一步理解激光增材制造RHEAs的高溫服役行為和失效機制,，包括高溫蠕變、疲勞,、氧化,、腐蝕和輻照等。研究其在高溫服役環(huán)境下相組成,、晶粒結(jié)構(gòu)等顯微組織的穩(wěn)定性,，明析其組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律對合金高溫性能的影響機制，為激光增材制造RHEAs的服役性能優(yōu)化及其工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ),。

作者簡介
張文軍1,2,，伊浩1,2，曹華軍1,2,，黃健康3
（1.重慶大學機械與運載工程學院,，重慶 400030；2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室,，重慶 400044,；3.蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730050）

引用本文
張文軍,，伊 浩,，曹華軍，黃健康. 難熔高熵合金激光增材制造：研究進展與展望[J]. 稀有金屬,，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.