近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、香港理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、北理-莫斯科大學(xué)及中國科學(xué)院物理研究所組成的研究團(tuán)隊(duì)，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(qiáng)塑性匹配的難熔高熵合金。相關(guān)成果發(fā)表于《增材制造》。
難熔高熵合金是基于難熔元素設(shè)計(jì)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(qiáng)度及相穩(wěn)定性。由于難熔高熵合金組元熔點(diǎn)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(yīng)力，并導(dǎo)致直接開裂，嚴(yán)重限制了其直接應(yīng)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(bào)道。
研究團(tuán)隊(duì)首先采用第一性原理計(jì)算選定難熔高熵合金體系的層錯(cuò)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(jié)構(gòu)，計(jì)算了其最密排面的最大層錯(cuò)能。此外，對(duì)該面進(jìn)行了原位的拉伸及壓縮的第一性原理計(jì)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(duì)低的堆垛層錯(cuò)能，在失效的過程中，位錯(cuò)增值優(yōu)先在裂紋源產(chǎn)生，導(dǎo)致延性斷裂；反之，裂紋拓展優(yōu)先于位錯(cuò)增值，導(dǎo)致脆性斷裂的產(chǎn)生。基于此，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(tuán)隊(duì)采用不同的制備方式制備了選定的難熔高熵合金，并進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)。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(qiáng)度及塑性的協(xié)同提升，獲得了GPa級(jí)的強(qiáng)度及大于22%的斷后延伸率，克服了長期存在的強(qiáng)度及塑性的倒置關(guān)系。相比于已經(jīng)報(bào)道的合金，該研究中采用增材制備的合金其強(qiáng)塑性也表現(xiàn)出優(yōu)異的競(jìng)爭(zhēng)力。與面心立方結(jié)構(gòu)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(cuò)網(wǎng)，能夠明顯提升增材制備的合金的強(qiáng)度及塑性。同時(shí)，對(duì)合金元素進(jìn)行精細(xì)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(dá)到顯著的強(qiáng)化效果。
采用透射電鏡對(duì)不同條件制備的難熔高熵合金的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)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(cuò)，并推后頸縮的產(chǎn)生從而實(shí)現(xiàn)比鑄造樣品更高的延伸率。通過進(jìn)一步的退火，發(fā)現(xiàn)其相分解得到了明顯的促進(jìn)，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(cuò)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)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(qiáng)度與延展性倒置關(guān)系的策略，指導(dǎo)了既強(qiáng)又韌的難熔合金的設(shè)計(jì)，為未來直接制造難熔高熵合金產(chǎn)品開辟了可能性。
