Int J Refract Met Hard Mater：利用元素粉末激光增材制造原位合成V_0.5Nb_0.5ZrTi难熔高熵合金

引言

难熔高熵合金作为一种新型高温合金，它的出现拓宽了高温结构材料的设计思路。优异的力学性能、耐腐蚀和抗高温软化能力，使得其在高温领域具有广阔的应用前景。SLM技术因其可以直接成形复杂形状的合金零件，同时冷却速率高，易得到精细的快速凝固组织，在难熔高熵合金的制备领域广受关注。但因为打印过程中极高的温度梯度，容易在制备过程中产生裂纹缺陷。因此，亟需对SLM成形难熔高熵合金过程中裂纹缺陷产生机理和抑制方法进行探究。

成果简介

最近，华中科技大学材料科学与工程学院非晶态材料研究室柳林教授团队通过改变SLM制备工艺，结合有限元模拟，研究工艺参数对SLM成形V_0.5Nb_0.5ZrTi 合金过程中熔池温度场及应力场分布和缺陷的影响，探究SLM制备V_0.5Nb_0.5ZrTi合金过程中裂纹产生机制。基于上述分析，实现无裂纹V_0.5Nb_0.5ZrTi 合金的制备并系统分析其组织结构、力学性能以及强化机制。

研究发现：对于V_0.5Nb_0.5ZrTi合金的研究发现合金化程度随体积能量密度（Volume energy density，VED）的增加而逐渐增加，裂纹密度表现出先下降后上升的变化过程。当VED为333 J/mm³时，SLM成形V_0.5Nb_0.5ZrTi合金具有单一体心立方结构，且无裂纹。结合有限元分析，当VED<333 J/mm³时，未熔Zr颗粒与基体间的晶体结构及热膨胀系数失配产生的应力是裂纹形成的主要原因；当VED>333 J/mm³时，因温度梯度产生的热应力则是裂纹的主要形成因素。

SLM成形V_0.5Nb_0.5ZrTi合金具有等轴晶区和柱状晶区交替分布的片层异质结构，且晶界处存在纳米析出相。这种异质结构使其屈服强度高达1450 MPa，同时赋予了其良好的加工硬化能力，相应的压缩应变为22%，实现强塑性的良好结合。

相关论文以题为“V_0.5Nb_0.5ZrTi refractory high-entropy alloy fabricated by laser addictive manufacturing using elemental powders”发表在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106220)期刊上。论文第一作者为华中科技大学硕士生朱鹏，通讯作者为华中科技大学于尧副教授、柳林教授，合作者还包括香港理工大学K.C. Chan教授。该研究得到了国家自然科学基金委与香港研究资助局联合基金项目的资助（No. 52061160483和No. N_PolyU523/20）。

图文导读

图1 工艺参数对SLM成形V_0.5Nb_0.5ZrTi 合金的合金化程度以及缺陷的影响

图2 SLM成形V_0.5Nb_0.5ZrTi 合金中裂纹产生机制

图3 SLM成形V_0.5Nb_0.5ZrTi 合金显著提高其力学性能