難熔高熵合金（RHEAs）是一類具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的金屬材料，它們通常具有高熔點、室溫脆性和高溫抗氧化性不足等缺陷，導(dǎo)致其在加工應(yīng)用方面受到嚴重限制。然而，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，這一局面有望得到改變。
增材制造技術(shù)以其獨特的設(shè)計自由度和加工靈活性，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀和定制結(jié)構(gòu)的金屬材料。它通過逐層堆積材料的方式，可以實現(xiàn)對金屬材料進行精確的控制和調(diào)整，從而大大提高材料的性能和功能。因此，這項技術(shù)被認為是解決RHEAs加工難題的理想途徑。
利用增材制造技術(shù)可以在保護氣氛下自由近凈成形難熔合金，從而避免了傳統(tǒng)加工方法中存在的氧化、熔點過高等問題。該技術(shù)能夠?qū)⒔饘俜勰┗蚓€材逐層熔化和固化，形成所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。同時，增材制造技術(shù)還能通過優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)控材料的組織結(jié)構(gòu)和成分，進一步提高RHEAs的性能。
近日，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團隊在激光增材制造高性能難熔高熵合金方面取得了新進展，通過直接能量沉積(DED)技術(shù)成功制備出Ti41V27Hf13Nb13Mo6 RHEA，并對其微觀組織演變和力學(xué)響應(yīng)進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)合金由于循環(huán)熱輸入與快速凝固產(chǎn)生了等軸晶與柱狀晶交替生長的梯度晶粒組織，相結(jié)構(gòu)由體心立方基體和析出相組成;高達1.2 GPa的屈服強度主要歸因于原子體積錯配產(chǎn)生的顯著固溶強化。通過調(diào)整激光能量密度，可有效抑制晶界析出相導(dǎo)致的準解理斷裂，將合金室溫拉伸延展性提升至11.3%。外力加載過程中采用原位表征，揭示了晶界處位錯滑移受到阻礙會造成應(yīng)力集中，易在等軸晶區(qū)誘發(fā)裂紋源;而滑移傳遞、晶粒旋轉(zhuǎn)和扭折是該增材合金的塑性變形協(xié)調(diào)機制。以上結(jié)論為增材制造超強高韌RHEAs提供了新途徑，并加強了對其組織-性能關(guān)聯(lián)的理解。
相關(guān)研究成果以“Unraveling microstructure and mechanical response of an additively manufactured refractory TiVHfNbMo high-entropy alloy”為題發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》。論文第一作者為博士研究生崔丁聰，通訊作者為王錦程教授和何峰教授，通訊單位為西北工業(yè)大學(xué)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104126
圖1 激光增材制造TiVHfNbMo難熔高熵合金的微觀組織
圖2 增材制造TiVHfNbMo合金的室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及屈服強度-延伸率對比
圖3 調(diào)控激光能量密度實現(xiàn)增材合金從準解理斷裂向韌性斷裂模式轉(zhuǎn)變
圖4 增材制造TiVHfNbMo合金的加工硬化曲線與微觀-納觀變形行為
圖5 原位EBSD表征揭示“等軸晶-柱狀晶”梯度晶粒組織的變形-斷裂機制
作者在難熔高熵合金強韌化方面的近期工作如下，歡迎關(guān)注：
圖6 鑄就難熔高熵合金利劍(https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.038)
西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團隊長期開展材料多尺度模擬計算、高熵合金及增材制造等方面研究工作，在金屬領(lǐng)域頂級期刊Nature Communications、Acta Materialia、IJP、JMST、Additive Manufacturing上已發(fā)表論文40余篇，課題組網(wǎng)站：http://www.jchwang.com
總的來說，增材制造技術(shù)在RHEAs材料的制備中展現(xiàn)出了巨大的潛力。通過利用增材制造技術(shù)的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)RHEAs材料的近凈成形，并獲得超強高韌性的特性。然而，我們?nèi)匀恍枰M一步研究和探索，以解決在應(yīng)用增材制造技術(shù)制備RHEAs材料過程中遇到的挑戰(zhàn)和問題。這將為材料工程領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的突破和可能性。
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