激光增材制造制備具有高比屈服強(qiáng)度和優(yōu)異的延展性的輕質(zhì)難熔高熵合金

來源：增材在線

輕質(zhì)難熔高熵合金（LRHEA）比其他難熔高熵合金具有更低的密度和更好的延展性，這賦予它們在不同工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景,。激光定向能量沉積增材制造(LDED)技術(shù)因其卓越的屬性（例如快的冷卻速率和設(shè)計(jì)靈活性）而成為制備此類難熔金屬的理想工藝,。2023年10月11日，北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院王華明院士,、朱言言副研究員團(tuán)隊(duì)在《Additive Manufacturing》（中科院1區(qū),，Top，影響因子11）期刊發(fā)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”,，通過LDED制備了新型LRHEA Al0.3NbTi3VZr1.5,，并進(jìn)行了全面的研究以探索其微觀結(jié)構(gòu)演變和塑性變形機(jī)制。朱言言副研究員為通訊作者,。

結(jié)果表明
在沉積樣品中檢測到具有體心立方(BCC)的基體,、晶界附近的Laves相以及基體中粗化ω顆粒的分級微觀結(jié)構(gòu)。在固溶處理(SST)樣品中,，Laves相消失,，ω顆粒尺寸減小，與基體形成納米級兩相混合物,。沉積態(tài)樣品表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂,，斷裂強(qiáng)度為902MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?%,。而SST樣品表現(xiàn)出約25±2%的相當(dāng)大的斷裂應(yīng)變,，屈服強(qiáng)度為1032±12MPa,，比屈服強(qiáng)度為180MPa·g−1·cm3。高強(qiáng)度主要?dú)w功于固溶強(qiáng)化,，而優(yōu)異的延展性則通過激活獨(dú)特的變形機(jī)制（包括多級微帶的形成和扭結(jié)）來實(shí)現(xiàn),。微帶間距的細(xì)化導(dǎo)致更多的塑性變形，而橫向滑移進(jìn)一步細(xì)化了三個(gè)維度上的微帶間距,。微帶引起的扭結(jié)有效地緩解了局部應(yīng)力集中并減緩了斷裂。這項(xiàng)工作為利用增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)和制備LRHEA提供了新的見解,，并為全面,、深入地理解其塑性變形機(jī)制做出了顯著貢獻(xiàn)。

工作亮點(diǎn)

（1）LDED制備的額Al0.3NbTi3VZr1.5合金具有出色的強(qiáng)度-延展性匹配,。

（2）高強(qiáng)度主要?dú)w功于固溶強(qiáng)化效應(yīng),。

（3）納米級ω粒子誘導(dǎo)包含位錯(cuò)的共面滑移微帶。

（4）橫向滑移和扭結(jié)行為可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的塑性變形,。

論文圖片

圖1. 微觀組織結(jié)構(gòu)：(a) 沉積態(tài)樣品XOZ 截面的微觀結(jié)構(gòu),。(b) 一次凝固熔融區(qū)的 OM圖像。(c) (b)中局部放大區(qū)域的 SEM 圖像,。(d) 熔合線附近重熔晶粒的 OM圖像,。(e) (d) 中局部放大區(qū)域的 SEM 圖像。(f) 沿 Z 方向的 EBSD 結(jié)果,。(g) 沉積樣品標(biāo)記區(qū)域的照片和 EDS面掃結(jié)果,。

圖2. 沉積樣品的 TEM 表征。(a) 沉積樣品的 BCC 基質(zhì)和 AlZrV 相的明場圖像,。(b) 沉積樣品的 ω 和 AlZrV 相的明場圖像,。(c) 沉積樣品的 BCC 矩陣中 ω 相的分布和尺寸統(tǒng)計(jì)。(d) AlZrV 相和 BCC 基體的衍射圖案,，對應(yīng)于 (a) 中的紅色圓圈,。(e) BCC 基質(zhì)和 AlZrV 相的元素比較。(f) 對應(yīng)于(b)中白色圓圈的BCC矩陣和ω相的衍射圖案,。

圖3. 沉積態(tài)樣品和 SST 樣品的機(jī)械性能,。(a) 室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖：（a）中黑色矩形框的局部放大,。(b)SST樣品的真應(yīng)變-應(yīng)力曲線和應(yīng)變-應(yīng)變硬化率曲線,。(c) SST 樣品與先前報(bào)道的 RHEA 的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變和 (d) 拉伸比屈服強(qiáng)度-應(yīng)變之間的比較。

關(guān)鍵結(jié)論

該研究中的低密度LDED增材制造Al0.3NbTi3VZr1.5合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性匹配,。對微觀結(jié)構(gòu)演變和變形機(jī)制的進(jìn)一步研究得出以下主要結(jié)論：

1. 沉積態(tài)樣品沿沉積方向呈現(xiàn)出柱狀晶和等軸晶的規(guī)則交替晶粒形貌,，這與局部熔池內(nèi)的成核和生長機(jī)制以及沉積過程中的熱循環(huán)有關(guān)。沉積態(tài)樣品的微觀結(jié)構(gòu)由BCC基體,、Laves-AlZrV相和粗化的ω相組成,，而SST樣品的微觀結(jié)構(gòu)由BCC基體和納米分散的ω相組成,。

2. SST表現(xiàn)出優(yōu)異的延展性（~25%斷裂應(yīng)變），屈服強(qiáng)度超過1 GPa,，比強(qiáng)度為180 MPa·g−1·cm3,，而沉積態(tài)樣品表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂，這主要?dú)w因于富集GB附近的Laves階段,。

3. 合金的高強(qiáng)度主要?dú)w功于固溶強(qiáng)化效應(yīng),。在變形的初始階段（第一階段），納米級ω粒子誘導(dǎo)了包含位錯(cuò)的共面滑移微帶,。微帶間距和橫向滑移的細(xì)化使得第一階段能夠持續(xù)穩(wěn)定的塑性變形,。在變形后期（第二階段），微帶引起的扭結(jié)行為有效地緩解了局部應(yīng)力集中,，并有效地阻止了斷裂擴(kuò)展,。上述機(jī)制為對抗現(xiàn)有RHEA的室溫脆性提供了創(chuàng)新的解決方案。

通訊作者
朱言言,，1989年9月出生,，北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，副研究員,，博士生導(dǎo)師,。于2016年在北航材料與工程學(xué)院獲得博士學(xué)位，2016年11月-2019年9月北航大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室做博士后研究,，2019年9月入職北航前沿院工作至今,。獲得了2016年首屆國家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、2019年北航卓越百人計(jì)劃和2021年北航青年拔尖計(jì)劃,。研究領(lǐng)域?yàn)榻饘僭霾闹圃旒夹g(shù),，主要研究方向包括：（1）增材制造高性能金屬材料組織性能調(diào)控與力學(xué)行為研究，（2）融合傳統(tǒng)制造與增材制造的復(fù)合制造技術(shù)與性能調(diào)控研究,，（3）激光增材制造專用新型高性能金屬材料研發(fā),，（4）高強(qiáng)高韌鈦合金研究。作為負(fù)責(zé)人主持了2016年國家博新計(jì)劃項(xiàng)目,、第62批博士后基金面上項(xiàng)目（一等）,、2018年國家自然基金青年基金和2020年面上項(xiàng)目等科研項(xiàng)目，作為主要成員參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、北京市科技計(jì)劃等10多個(gè)重大科研項(xiàng)目研究,。發(fā)表SCI論文15篇、申請專利4項(xiàng),。受邀擔(dān)任Mater Des, JAC等多個(gè)期刊的審稿人,，研究成果獲得nature、science、PMS等材料頂刊引用,。

論文引用
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