难熔高熵合金具有高的熔点、良好的高温强度及抗软化性等特点，被认为是下一代高温应用的潜在材料。传统的制备方式，如电弧熔炼，易于引起难熔高熵合金基体严重的元素偏析，且样品尺寸受限于熔炉或铸造模具，难以实现大规模生产。激光增材制造，因其逐层成型的工艺特点，使得复杂零部件和大规模生产成为可能。然而，已报道的激光增材制造难熔高熵合金表现出明显的室温脆性，且打印样品中通常分布着大量的裂纹和孔隙，导致较差的压缩性能。更为关键的是，激光增材制造难熔高熵合金还未见拉伸性能报道，这极大限制了其工程化应用。
近日,浙江大学刘嘉斌副教授团队与湖南大学雷智锋教授团队调控增材制造Ti-Zr-Hf-Nb基难熔高熵合金中的Nb含量，发现增加Nb含量稳定bcc结构的同时，抑制了w 相析出，突破了增材制造难熔高熵合金室温脆性限制。采用激光增材技术制备的TiZrHfNb合金展示出优异的强度和延展性，屈服强度为1034 MPa，拉伸延伸率达到18.5%。相关结果以“Additive manufacturing of ductile refractory high-entropy alloys via phase engineering”标题发表在《Acta Materialia》上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542300112X?dgcid=author
图1. (a)激光增材打印示意图。(b) TiZrHfNb的YZ截面图。(c)三维重构TiZrHfNb难熔高熵合金的YZ-、XZ-和XY-截面反极图。打印合金具有近似等轴晶组织。(d)粒度分布。平均晶粒尺寸为162.3 m。(e) TiZrHfNb 的SEM图和相应的(f) Ti、Zr、Hf和Nb元素分布。合金基体中没有出现明显的元素偏析。
图2. 激光增材打印TiZrHfNbx的相演化。(a) TiZrHfNbx的XRD图。(b) TiZrHfNb0.6和(c) TiZrHfNb的EBSD图。 (d-f) TiZrHfNb0.6的TEM明场图，相应的选区电子衍射图和暗场图。(g) TiZrHfNb 的TEM明场图(插图为选区电子衍射图)。
图3. 激光增材打印TiZrHfNbx的力学性能和断口形态。（a）TiZrHfNbx不同Nb含量和不同加载方向的拉伸工程应力-应变曲线。（b）TiZrHfNb和其它增材制造的钛合金、高温合金及电弧熔炼的难熔高熵合金的屈服强度-延伸率比较。（c）(d)变形的TiZrHfNb0.6和TiZrHfNb断口形态。
图4. 激光增材打印TiZrHfNb 变形后微观组织。(a)侧面SEM图。观察到明显的滑移/剪切带(见黄色箭头)。(b) EBSD反极图。(c)对应区域的GND图。(d)沿变形带的局部取向变化。(e)断裂区域附近的XRD图。拉伸变形过程中不发生孪晶或相变。断口附近的TEM图：(f)高密度位错，(g)长而直的位错，(h)位错割阶(黄色箭头)和位错环(红色箭头)(衍射矢量为[200])。变形过程中出现多种位错相互作用。
该研究结合SEM, TEM, STEM及中子散射等多种表征手段解析了激光增材打印难熔高熵合金的高强度及优异延伸率的起源。发现强度主要来源于高熵合金内多种元素混合导致的固溶强化，此外，合金中的局部化学波动诱导了位错相互反应，进而提高其延伸率。该研究首次在激光增材制造难熔高熵合金中实现了拉伸塑性，为难熔高温合金的制备提供了新方法。
本论文的第一单位为浙江大学，勾淑媛博士生为第一作者，高铭余博士生为共同第一作者；浙江大学刘嘉斌副教授为通讯作者，浙江大学王宏涛教授、湖南大学雷智锋教授为共同通讯作者。
