供稿人：蔡江龍、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-07-16
2004年，中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者葉均蔚教授擺脫傳統(tǒng)合金的研發(fā)思路，提出了“多主元”合金的設(shè)計(jì)新理念?！岸嘀髟焙辖鹜ǔＳ伤姆N或四種以上金屬元素以原子百分?jǐn)?shù)5%~35%固溶組成，因此也被稱為高熵合金。高熵合金具有以下優(yōu)異性能：超高硬度，高強(qiáng)度和高延展性，杰出的熱穩(wěn)定性，良好的耐磨性，耐腐蝕性，良好的抗氧化性等。難熔高熵合金（Refractory High Entropy Alloys, RHEAs）是由高熔點(diǎn)元素W、Ta、Nb、Mo、Hf、Re等組成的高熵合金，其特點(diǎn)是高強(qiáng)度、高密度。相對(duì)于常規(guī)高熵合金而言，其在高溫下仍能保持高強(qiáng)度，且具有良好的熱穩(wěn)定性。因此，RHEAs的研究對(duì)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展有重大意義。
然而，RHEAs高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度優(yōu)勢(shì)也造成其采用傳統(tǒng)的冶金、鑄造、機(jī)械加工等技術(shù)難以甚至無法成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。激光熔覆沉積（LCD）技術(shù)是一項(xiàng)快速發(fā)展的激光增材制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)RHEAs的高自由度制備。材料本身的脆性和LCD高溫度梯度的成形方式使得RHEAs的室溫延展性極差，因此提高RHEAs的延展性是解決其無法投入應(yīng)用市場(chǎng)的關(guān)鍵。浙江大學(xué)和湖南大學(xué)Shuyuan Gou等采用LCD制備了TiZrHfNbx(x= 0.6, 0.8, 1.0) RHEAs。增加Nb含量可以穩(wěn)定BCC相，抑制ω相的形成。這種階段工程策略將力學(xué)性能從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。結(jié)果顯示，LCD制備的TiZrHfNb合金的室溫拉伸屈服強(qiáng)度為1034 MPa，延展性為18.5%。固溶強(qiáng)化有助于提高拉伸屈服強(qiáng)度，局部化學(xué)成分波動(dòng)促進(jìn)位錯(cuò)相互作用，產(chǎn)生較大的延性。這一研究解決了LCD制備RHEAs延展性差的問題。
圖1 LCD制備的TiZrHfNb合金的相和組織
圖2 LCD制備的TiZrHfNbx(x= 0.6, 0.8, 1.0)合金的力學(xué)性能以及斷口形貌
采用LCD成形延性RHEAs技術(shù)對(duì)核工程、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域耐高溫核心構(gòu)件制造具有突出優(yōu)勢(shì)，為這些零件的制造帶來顛覆性的創(chuàng)新思路。對(duì)該技術(shù)的材料和工藝開展基礎(chǔ)研究具有重要科學(xué)意義和工程價(jià)值，為我國(guó)高端裝備制造提供堅(jiān)實(shí)保障和技術(shù)支撐。