近日，松山湖材料實驗室、香港理工大學、華中科技大學、北理-莫斯科大學及中國科學院物理研究所組成的研究團隊，提出了基于激光近凈成形原位合金化制備難熔高熵的策略，制備出了具有優(yōu)異的強塑性匹配的難熔高熵合金。相關成果發(fā)表于《增材制造》。
難熔高熵合金是基于難熔元素設計開發(fā)的一類新型高溫合金，相比于傳統(tǒng)的高溫合金，難熔高熵合金在高溫下具有更高的強度及相穩(wěn)定性。由于難熔高熵合金組元熔點高，增材制造的難熔高熵合金樣品往往出現(xiàn)較大的殘余應力，并導致直接開裂，嚴重限制了其直接應用。因此，采用激光近凈成形制備具有優(yōu)異的拉伸性能的難熔合金鮮有報道。
研究團隊首先采用第一性原理計算選定難熔高熵合金體系的層錯能及表面能，以研究其韌性起源。通過建立帶有真空層的難熔高熵合金的超胞結構，計算了其最密排面的最大層錯能。此外，對該面進行了原位的拉伸及壓縮的第一性原理計算，并通過UBER方法擬合了該面的表面能。由于該合金體系具有較高的表面能及相對低的堆垛層錯能，在失效的過程中，位錯增值優(yōu)先在裂紋源產(chǎn)生，導致延性斷裂；反之，裂紋拓展優(yōu)先于位錯增值，導致脆性斷裂的產(chǎn)生?；诖?，闡明了所選定的難熔高熵合金具有良好的塑性本質(zhì)，尤其適用于增材制造。
研究團隊采用不同的制備方式制備了選定的難熔高熵合金，并進行了室溫拉伸試驗。相比于電弧熔煉的難熔高熵合金，采用激光近凈成形制備的難熔高熵合金具有強度及塑性的協(xié)同提升，獲得了GPa級的強度及大于22%的斷后延伸率，克服了長期存在的強度及塑性的倒置關系。相比于已經(jīng)報道的合金，該研究中采用增材制備的合金其強塑性也表現(xiàn)出優(yōu)異的競爭力。與面心立方結構的高熵合金不同，增材制備的面心立方高熵合金中存在大量的位錯網(wǎng)，能夠明顯提升增材制備的合金的強度及塑性。同時，對合金元素進行精細分析，發(fā)現(xiàn)增材制備的難熔高熵合金存在較多以間隙形式存在的氧及氮元素，這些間隙原子能夠固溶于晶格間隙從而達到顯著的強化效果。
采用透射電鏡對不同條件制備的難熔高熵合金的組織結構進行觀察，結果表明增材制備的難熔高熵合金存在基體相的分解現(xiàn)象，其分解相能夠明顯地釘扎位錯，并推后頸縮的產(chǎn)生從而實現(xiàn)比鑄造樣品更高的延伸率。通過進一步的退火，發(fā)現(xiàn)其相分解得到了明顯的促進，在相界面上產(chǎn)生較大的晶格畸變，也能夠明顯調(diào)控變形過程中的位錯的運動，導致其具有良好的塑性。
該工作提出了一種解決難熔高熵合金強度與延展性倒置關系的策略，指導了既強又韌的難熔合金的設計，為未來直接制造難熔高熵合金產(chǎn)品開辟了可能性。
