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東北大學&中科院金屬所Acta Materialia：DED異質結構助力TiZrNbVAl高熵合金強塑雙優

2025-08-25 13:22:46 作者：材料強化與防護來源：材料強化與防護分享至：

耐火高熵合金（RHEAs）由于具有高強度和優異的熱穩定特性而顯示出巨大的應用潛力，但目前實現強度和塑性之間的平衡仍然是一個挑戰，特別是對于富Ti的RHEAs在室溫下通常表現出有限的塑性。

東北大學&中科院金屬所的研究團隊近日證明了定向能量沉積（DED）可以有效地實現TiZrNbVAl高熵合金強度和塑性平衡。該研究發現了DED制備的TiZrNbVAl合金薄壁試樣的屈服強度超過900MPa且塑性超過27%，該性能明顯優于鑄態試樣的835MPa屈服強度和18.8%塑性。研究成果以“Superior Strength-Ductility Synergy in TiZrNbVAl High Entropy Alloys via Additive Manufacturing”為題發表在國際期刊《Acta Materialia》上，為利用DED技術制備具有優異強塑性平衡的RHEAs提供了新的見解，并為航空航天、能源以及其他高性能應用的先進結構材料的開發提供了理論指導。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121389

【核心內容】

這項研究對比了通過DED制備的RHEAs和真空電弧熔煉制備的鑄態RHEAs的性能，發現DED通過形成交替等軸和柱狀枝晶異質結構后能使合金室溫屈服強度超900MPa、斷裂伸長超27%，優于鑄態的835MPa和18.8%。高溫下RHEAs強度隨溫度升高降低、塑性提升，600℃出現少量C14 Laves相，800℃發生顯著動態再結晶，DED-RHEAs強塑協同源于異質變形誘導等機制，證實了DED可高效制備高性能該合金。

圖形摘要

【研究方法】

研究以Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25 RHEAs為研究對象，采用定向能量沉積（DED）與真空電弧熔煉兩種方式制備樣品，其中DED用PREP制備50~150μm粉末用于打印60層薄壁件，鑄態反復熔煉8次制備出RHEAs。通過XRD、OM、SEM、EBSD和TEM表征微觀結構，并在室溫和400~800℃下測定材料的力學性能，對比分析結構與性能差異，揭示強塑協同機制。

(a) Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25 RHEAs粉末的掃描電鏡圖像, (b) DED工藝示意圖, (c) Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25 RHEAs薄壁的正視圖和側視圖, (d) 表征樣品示意圖

【研究成果】

① 微觀結構調控

兩種方式下制備的RHEAs均為單相BCC結構，無B2有序相，DED由于具有高冷卻速率顯著抑制了Zr、Nb等元素偏析，而鑄態樣品存在嚴重元素偏析。另外，DED制備的樣品形成了交替等軸和柱狀枝晶的異質結構，其中等軸晶占比高，平均粒徑為21.8μm，鑄態樣品為全等軸枝晶結構。

(a1-a3) DED樣品的OM圖像, (b1, b2) DED樣品的IPF, (c1, c2) 鑄態試樣的OM和SEM圖像, (d) 圖2(a1)對應的紋理, (e) DED樣品的EDS圖像, (f) 鑄態樣品的EDS圖像

② 力學性能提升

DED樣品室溫屈服強度達903~914MPa，相比于鑄態的室溫屈服強度高9.5%，其塑性達27.4%~28.3%，相較鑄態的塑性高出了50.5%。400℃時DED樣品的屈服強度為750MPa、塑性24.8%，600℃時其屈服強度和塑性分別為421MPa和53.4%，此時晶界開始出現少量C14 Laves相但未惡化塑性，800℃時樣品的屈服強度為66MPa，塑性達67.6%，該狀態下C14相溶解，動態再結晶晶粒占比6.0%。

室溫力學性能

(a) 不同溫度下的工程應變應力，(b) 高溫拉伸后的XRD圖譜

(a-d) HT600和HT800未變形區域的TEM和SAED圖像, (e) HT600未變形區域GB元素分布, (f-h) HT400、HT600和HT800斷裂附近的EBSD結果

③ 強塑協同機制突破機制

DED制備的樣品的強塑協同主要依賴于異質變形誘導（HDI）強化，HDI通過背應力提升軟相（柱狀晶）承載能力以增強強度，前應力使硬相（等軸晶）變形以提升塑性，同時GND在兩相界面堆積進一步調節變形。

變形時樣品會形成與基體取向差為～27°的扭折帶，能通過晶格旋轉實現晶格軟化而提升塑性，且扭折帶內可生成新扭折帶進一步協調變形。多個滑移系被激活，柱狀晶的幾何相容性因子（m'）更高，更容易發生滑移傳遞提升變形協調性。另外，DED制備的樣品更容易形成<101>//拉伸軸的α纖維織構，促進位錯運動與均勻塑性變形，而鑄態樣品無優先取向，織構強度低。