激光增材制造制備具有高比屈服強度和優(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，屈服強度為1032±12MPa，比屈服強度為180MPa·g−1·cm3。高強度主要歸功于固溶強化，而優(yōu)異的延展性則通過激活獨特的變形機制（包括多級微帶的形成和扭結(jié)）來實現(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。這項工作為利用增材制造技術(shù)設(shè)計和制備LRHEA提供了新的見解，并為全面、深入地理解其塑性變形機制做出了顯著貢獻(xiàn)。

工作亮點

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

（2）高強度主要歸功于固溶強化效應(yīng)。

（3）納米級ω粒子誘導(dǎo)包含位錯的共面滑移微帶。

（4）橫向滑移和扭結(jié)行為可實現(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。(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 樣品與先前報道的 RHEA 的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變和 (d) 拉伸比屈服強度-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)異的強度-延展性匹配。對微觀結(jié)構(gòu)演變和變形機制的進(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），屈服強度超過1 GPa，比強度為180 MPa·g−1·cm3，而沉積態(tài)樣品表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂，這主要歸因于富集GB附近的Laves階段。

3. 合金的高強度主要歸功于固溶強化效應(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展。上述機制為對抗現(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驗室做博士后研究，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)新人才支持計劃、2019年北航卓越百人計劃和2021年北航青年拔尖計劃。研究領(lǐng)域為金屬增材制造技術(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）高強高韌鈦合金研究。作為負(fù)責(zé)人主持了2016年國家博新計劃項目、第62批博士后基金面上項目（一等）、2018年國家自然基金青年基金和2020年面上項目等科研項目，作為主要成員參與了國家重點研發(fā)計劃、北京市科技計劃等10多個重大科研項目研究。發(fā)表SCI論文15篇、申請專利4項。受邀擔(dān)任Mater Des, JAC等多個期刊的審稿人，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