【焦点】高熵合金 l 高熵合金的微观组织与力学性能近期研究 l 华中科技大学、西安交大等

| 3DScienceValley · 2024/03/06

谷专栏

根据3D科学谷《3D打印技术的优缺点 l 3D打印HEA高熵合金：微观结构和性能综述》一文，高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨、耐高温、抗辐射以及软磁性等等优点，都是高熵合金得以被市场认可的原因所在。尤其是在高温、高压、高速等极限环境下，高熵合金制造成的金属零部件可以维持较好的力学性能。此外在恶劣的气候环境、腐蚀性溶液、强动态载荷条件下，高熵合金的性能都表现极为优异。由此高熵合金在海洋工程、核工业、发动机工业、硬质刀具工业都有着广泛应用空间。通过传统制造路线生产均质块状合金所需的内在复杂性方面的控制能力仍然充满挑战。因此，迫切需要开发有效和高效的技术来制造这种新型合金，而3D打印-增材制造 (AM) 方法可以产生快速冷却和凝固速率，并能够成就零件复杂的几何形状以及高自由度的设计，这为HEA高熵合金这种高性能工程材料的生产带来了巨大潜力。

本期，通过节选近期国内高熵合金增材制造领域方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的高熵合金3D打印。

烧结温度和保温时间对黏结剂喷射增材制造AlCoCrFeNi2.1
共晶高熵合金组织和性能的影响

王启航1李静静1胡时东1袁嘉明1蔡道生2魏青松1

1. 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点试验室2. 武汉易制科技有限公司

摘要：

AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有断裂强度高、抗疲劳强度高等优点。本研究使用黏结剂喷射增材制造技术(Binder Jetting Additive Manufacturing， BJAM)制备此合金，通过调节烧结温度(1290℃-1350℃)和保温时间(1 h-5 h)探究烧结工艺对该合金的微观组织及拉伸性能的影响。

结果表明：烧结温度和保温时间通过影响孔隙率及晶粒大小直接影响高熵合金烧结件的性能。孔隙率的下降与晶粒长大同时发生，两因素耦合影响烧结件的力学性能。1350℃保温3 h样品的延伸率达7.09%、致密度达92.5%，1350℃保温1 h样品的屈服强度和断裂强度分别达600.19 MPa和1021.32 MPa。

本工作填补了黏结剂喷射增材制造技术制造共晶高熵合金领域的空白，为研究黏结剂喷射增材制造技术加工共晶高熵合金的工艺与力学性能的关系提供了详细的参考。

激光增材制造技术
制备高熵合金的研究进展

赵燕春1,2宋海转1王晓昱3王园园3马虎文1冯力1,2刘建军1,2段望春4

1. 兰州理工大学省部共建有色金属加工与再利用国家重点实验室2. 兰州理工大学温州泵阀工程研究院3. 兰州工业研究院4. 甘肃省机械工程研究院

摘要：

目前基于焓变的传统合金化材料设计理念趋于极限，而基于熵变设计的新型金属材料中高熵合金设计自由度大，弥补了亚稳态材料室温脆性以及亚稳晶化的不足，且在性能上不断取得突破。激光增材制造技术具有不同于传统的加工设计和制造理念，为推动先进合金材料的发展提供了新的可能，已经成为链接材料与产品的关键技术。本研究基于不同维度的激光增材制造技术，从2D、3D和4D这3种维度分别介绍了激光熔覆技术制备高熵合金涂层、3D打印技术制备高熵合金和4D打印技术制备高熵高温形状记忆合金的研究现状，并结合目前研究中所面临的关键技术问题及解决方案进行了讨论，最后对激光增材制造技术制备先进合金材料进行了总结和展望。

一种新型增材制造
FeCoNi中熵合金的时效硬化行为

夏忠虎1,2张友昭2任延杰1李相伟2张书彦2

1. 长沙理工大学2. 东莞材料基因高等理工研究院

摘要：

采用激光选区熔化(SLM)增材制造技术制备了一种新型FeCoNi中熵合金，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射技术(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)，研究热处理对合金微观组织与硬度的影响规律，揭示SLM中熵合金的强化机理。

结果表明，沉积态合金致密度为99.9%以上，平均晶粒尺寸为2.2μm，组织为单相BCC结构，硬度为32.6 HRC。经过470℃热处理后，在晶界和晶内析出双尺寸的Ni3Fe金属间化合物，硬度大幅增加到47.6 HRC。随着热处理温度的进一步增加，合金中生成了粗大的FCC软化相，且FCC相的含量随热处理温度的升高逐渐增多，700℃热处理后FCC相含量达到36%，合金的硬度降低至36.3 HRC。因此，热处理过程中析出富Ni金属间纳米相是提升FeCoNi中熵合金性能的主要原因之一。

难熔高熵合金激光增材制造的发展
材料性能与制造工艺调控技术

李涤尘1,2张航1,2蔡江龙1,2

1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室2. 西安交通大学机械工程学院

摘要：

难熔高熵合金具有超越传统合金的高强度、高硬度、耐高温、高耐腐蚀性等优异性能，在航空航天、核工程、武器装备等多领域有重要应用前景。但是其发展面临着两个难点：常规的真空电弧熔炼材料方法制备难熔高熵合金存在成分偏析严重、研发周期冗长、材料尺寸受限等；高硬度难以实现复杂结构的成形和加工困难。因此，现有的冶金、成形、加工多工序方法面临挑战。通过激光增材制造实现材料与结构一体化成形是突破现有难点的发展方向，国内外学者在此方面开展了探索研究。

本研究对难熔高熵合金激光增材制造研究的发展现状进行综述与分析，介绍了难熔高熵合金复杂构件从材料到制造的研究进展，分析了高熵合金的的研发途径、增材成形工艺和缺陷调控、难熔高熵合金多温度段力学性能、增材制造工艺方面的面临挑战和取得进展，介绍了难熔高熵合金增材制造未来的应用方向和发展趋势。

时效热处理对增材制造FeCoNi
中熵合金微观组织与力学性能的影响

夏忠虎1,2张友昭1任延杰2李昱彤2李相伟1张书彦1

1. 东莞材料基因高等理工研究院2. 长沙理工大学能源与动力工程学院

摘要：

采用激光选区熔化(SLM)技术制备了一种新型高强FeCoNi中熵合金，通过SEM、TEM、EBSD和XRD分析了时效热处理对FeCoNi合金微观组织与力学性能的影响。

结果表明：沉积态样品为单相的BCC固溶体，平均晶粒尺寸为4.29μm，显微硬度为HV 336，抗拉强度1010 MPa，伸长率约4%。经过470℃热处理后，在晶界与晶内析出白色颗粒状沉淀相，TEM分析为富Ni的Ni3Fe金属间化合物。Ni3Fe相含量随热处理时间的延长逐渐增加，时效4 h后析出相含量最多为13%，合金平均硬度增至HV 535，与沉积态相比硬度提升了59%，抗拉强度提高到1 514 MPa。470℃低温时效热处理使合金组织中产生了纳米级Ni3Fe析出相，同时细化晶粒，且析出相与基体呈现共格关系，显著提高合金强度。

电子束选区熔化TaNbTiZr
难熔高熵合金的微观组织与力学性能

谢仲豪1付遨1汪健1王新锋1,2曹远奎1刘彬1刘咏1

1. 中南大学粉末冶金国家重点实验室2. 西安赛隆增材技术股份有限公司

摘要：

难熔高熵合金（RHEAs）表现出优异的高温性能，在航空航天、核能等领域具有广泛应用前景。然而，由于难熔高熵合金组成元素熔点高，常规加工制造方法制备难度大。

本研究采用离等子旋转电极雾化法（PREP）制备的高质量TaNbTiZr难熔高熵合金球形粉末为原料，通过电子束选区熔化（EBM）制备TaNbTiZr难熔高熵合金，利用正交实验研究了工艺参数对合金微观组织及力学性能的影响。

结果表明：EBM样品的致密度随着线能量密度的增大呈先上升后下降的趋势，线能量密度为37.5 J/m的样品致密度最高，相对致密度达到98%。TaNbTiZr难熔高熵合金在XOY和XOZ面均呈细小的等轴晶结构，平均晶粒尺寸分别为6.32 μm和6.93 μm。晶粒内部由富含Nb、Ta的BCC1基体相和富Zr的BCC2网状边界组成。TaNbTiZr难熔高熵合金表现出优异的力学性能，其屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率分别为988 MPa、1173 MPa和3.99%。理论计算表明该合金高的屈服强度主要源于高晶格畸变强化和高细晶强化效应。

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