難熔高熵合金激光增材制造： 研究進(jìn)展與展望

來(lái)源： 稀有金屬RareMetals

難熔高熵合金（RHEAs）是一類(lèi)以Nb，Mo，W，Ta等難熔元素為主元的高熵合（HEAs），具有簡(jiǎn)單的相結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的高溫綜合力學(xué)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(diǎn)，傳統(tǒng)的工藝方法在制備RHEAs時(shí)存在制造過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、材料利用率低、成本高等諸多問(wèn)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(shí)現(xiàn)復(fù)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(lái)了新的契機(jī)。對(duì)近年來(lái)激光增材制造RHEAs的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(qiáng)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(wèn)題，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(diǎn)和沸點(diǎn)

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(xiàn)，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(diǎn)

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(lái)看，目前研究者在激光增材制造RHEAs工藝優(yōu)化、組織和力學(xué)性能調(diào)控方面都取得了一定的進(jìn)展。通過(guò)工藝調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)部分RHEAs的良好成形，整體表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。基于高通量的原位合金化設(shè)計(jì)，對(duì)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(guān)的應(yīng)用前景。但在激光增材制造過(guò)程中，對(duì)材料特性與制備工藝的調(diào)控仍需深入研究。此外，實(shí)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(duì)激光增材制造RHEAs現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，未來(lái)可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)開(kāi)展研究：
1．開(kāi)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(gè)復(fù)雜的熱力耦合過(guò)程，所用粉末材料需要考慮激光吸收率、熔化溫度、流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性和抗開(kāi)裂能力等諸多因素。傳統(tǒng)體系合金粉末在SLM時(shí)普遍存在開(kāi)裂問(wèn)題，極大限制了激光增材RHEAs的發(fā)展。因此，有必要針對(duì)SLM工藝特性，開(kāi)發(fā)適用的新合金體系。其中，基于SLM高通量設(shè)計(jì)進(jìn)行原位合金化和成分梯度材料制備，可對(duì)材料的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行快速表征測(cè)試，實(shí)現(xiàn)合金成分的快速篩選。
2．進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和優(yōu)化激光增材制造RHEAs工藝。為實(shí)現(xiàn)激光增材制造RHEAs零件的高質(zhì)量成形，可從以下兩個(gè)方面對(duì)激光增材制造RHEAs的工藝進(jìn)行改善。一是深入了解成形過(guò)程，如光粉作用機(jī)制，熔池演變規(guī)律，冶金缺陷的形成機(jī)制等。借助在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和原位同步成像，對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及早發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行調(diào)控。二是研究激光增材制造RHEAs工藝與顯微組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系，建立激光增材制造RHEAs的性能評(píng)價(jià)體系，以指導(dǎo)工藝標(biāo)準(zhǔn)的制定。
3．探索激光增材制造RHEAs 的高溫服役性能。RHEAs簡(jiǎn)單穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。作為新一代的高溫合金，其未來(lái)瞄準(zhǔn)的是航空航天、軍工裝備及核能化工等對(duì)熱端部件要求較高的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。但是，目前對(duì)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(jìn)一步理解激光增材制造RHEAs的高溫服役行為和失效機(jī)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(duì)合金高溫性能的影響機(jī)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(jiǎn)介
張文軍1,2，伊浩1,2，曹華軍1,2，黃健康3
（1.重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400030；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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.