选区激光熔化制备难熔高熵合金研究现状与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29518

综述

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选区激光熔化制备难熔高熵合金研究现状与展望

郭正华¹, 陈正¹^,²(), 曾一达¹^,², 郭义乾¹^,², 牛振华¹^,², 杨子睿³, 李智勇⁴, 万骏武⁵

^1.南昌航空大学，南昌 330063
^2.南昌航空大学航空制造工程学院，南昌 330063
^3.伯明翰大学冶金工程学院，伯明翰 B15 2SE
^4.江西昌河航空工业有限公司，景德镇 333002
^5.江铃汽车股份有限公司，南昌 330000

收稿日期:2023-09-04 修回日期:2023-10-08 接受日期:2023-11-21 出版日期:2023-12-16 发布日期:2023-12-07
通讯作者: 陈正 E-mail:2203085500059@stu.nchu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52105451);江西省杰出青年基金(20232ACB214013);江西省重大科技研发专项(20194ABC28001);江西省重点研发计划(20212BBE51007)

Research status and prospects of refractory high-entropy alloys prepared by selective laser melting

Zhenghua GUO¹, Zheng CHEN¹^,²(), Yida ZENG¹^,², Yiqian GUO¹^,², Zhenhua NIU¹^,², Zirui YANG³, Zhiyong LI⁴, Junwu WAN⁵

^1.Nanchang Hangkong University，Nanchang 　330063，China
^2.School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 　330063，China
^3.School of Metallurgy and Materials，University of Birmingham，Birmingham　B15 2SE，United Kingdom
^4.Jiangxi Changhe Aviation Industry Co. ，Ltd，Jingdezhen 　333002，China
^5.Jiangling Motors Corporation，Ltd，Nanchang 　330000，China

Received:2023-09-04 Revised:2023-10-08 Accepted:2023-11-21 Online:2023-12-16 Published:2023-12-07
Contact: Zheng CHEN E-mail:2203085500059@stu.nchu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52105451);Jiangxi Provincial Science Fund for Distinguished Young Scholars(20232ACB214013);Science and Technology Major Project of Jiangxi Province(20194ABC28001);Key Research and Development Program of Jiangxi Province(20212BBE51007)

摘要/Abstract

摘要：

难熔高熵合金（RHEAs）因具备高熔点、高硬度和高温相结构稳定性成为航空航天、海洋船舶和核能工业等领域的重要材料。本文对选区激光熔化（SLM）技术制备的不同体系RHEAs进行梳理，并对其微观组织、力学性能、残余应力和耐腐蚀性能进行分析。结果表明，SLM制备的RHEAs未改变其固有相（BCC相），且枝晶形貌为树枝晶、等轴晶、胞状晶等，晶粒尺寸较电弧熔炼平均减少80%~90%；细晶强化、固溶强化等强化机制有效提升了材料的力学性能；SLM技术在制备RHEAs时，热源的局部加热和冷却会造成残余应力积累，可通过工艺参数优化、母材预热等方法降低热应力；SLM可实现难熔元素均匀分布，减缓腐蚀介质侵蚀合金表面的速率，从而增强合金的耐蚀性能。

关键词: 选区激光熔化, 难熔高熵合金, 微观组织, 力学性能, 残余应力, 耐蚀性能

Abstract:

With advantages of high melting point， high hardness and high-temperature phase structure stability， Refractory High-Entropy Alloys （RHEAs） have become important materials in the fields of aerospace， marine and nuclear energy industries. This paper presents a systematic review of different systems of RHEAs prepared by Selective Laser Melting （SLM） technology， and analyses the microstructure， mechanical properties， residual stress and corrosion resistance of SLM. The results show that the RHEAs prepared by SLM have not changed the intrinsic phase （BCC phase）， the dendritic crystal morphology is dendritic， equiaxed， and cytosolic， and the grain size has been reduced by an average of 80%–90% compared with that of conventional arc melting. The results also show strengthening mechanisms such as fine grain strengthening and solid solution strengthening caused by grain refinement effectively enhance the mechanical properties of the materials. In the preparation of RHEAs by SLM technology， the residual stress accumulation caused by local heating and cooling of the heat source can be reduced by optimizing the process parameters and preheating the base metal； SLM can achieve uniform distribution of refractory elements， and the refined grains can increase the grain boundary density， reduce intergranular corrosion， and enhance the corrosion resistance of the alloy.

Key words: selective laser melting, refractory high-entropy alloys, microstructure, mechanical properties, residual stress, corrosion resistance

中图分类号:

V252.2

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图/表 21

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

合金	工艺窗口	相结构	枝晶形貌	平均晶粒尺寸/μm	表面粗糙度/μm	晶格参数/Å	参考文献
VNbMoTaW	功率P=320 W 层厚dz=30 μm 扫描间距ds=90 μm 扫描速度v=400 mm/s 其他：钨基板预热180 ℃；层间旋转67°	BCC	柱状晶（横截面）胞状晶（顶面）	0.22 （横截面） 0.52 （顶面）	11.818	3.165 8	［55］
NbMoTaW	P=400 W dz=100 μm ds=100 μm v=250 mm/s 其他：C45钢； X和Y方向交叉扫描	BCC	树枝晶+片状马氏体结构枝晶	13.4		3.203 4	［56］
WMoTaTi	P=320 W dz=30 μm ds=80 μm v=300 mm/s 其他：基板预热200 ℃	BCC+密排六方（Hexagonal close-packed， HCP）	树枝晶				［57］
WMoTaNbV TiC/WMoTaNbV	P=325 W dz=40 μm ds=80 μm v=300 mm/s	BCC BCC+TiO₂	树枝晶胞状晶		9.148 17.865		［58］
WMoTaNbV	P=200 W dz=50 μm ds=45 μm v=100 mm/s	BCC	树枝/胞状晶	16.3			［59］
V_0.5Nb_0.5ZrTi	P=200 W dz=40 μm ds=60 μm v=300 mm/s 其他：X和Y方向交叉扫描	BCC	柱状晶+等轴晶	13.1 （柱状晶） 4.5 （等轴晶）		7.72	［60］
NbMoTa NbMoTaTi NbMoTaTi NbMoTaTi_0.5Ni_0.5	P=300 W dz=30 μm ds=30 μm v=300 mm/s	BCC BCC/α+Ti BCC+FCC BCC+B2+FCC	等轴晶等轴晶树枝晶树枝晶	26 21 8.6 8~10			［61］
NbTa_0.5TiMo_0.5	P=320 W dz=30 μm ds=60 μm v=500 mm/s 其他：钛基板预热200 ℃；层间旋转90 ℃	BCC	树枝晶	12.14			［62］
Ti_1.4Nb_0.6Ta_0.6Zr_1.4Mo_0.6	P=360 W dz=60 μm ds=80 μm v=1 200 mm/s	BCC	等轴晶+树枝晶	0.25			［63］

合金	屈服强度/MPa	抗压强度/MPa	显微硬度/HV	延展性/%	参考文献
VNbMoTaW		2 154	664		［55］
NbMoTaW			826		［56］
WMoTaTi			617.2±4.1		［57］
WMoTaNbV			614±21		［59］
V_0.5Nb_0.5ZrTi	1 450			15	［60］
NbMoTa	1 252.56	1 282.94	423.62±17.9	15	［61］
NbMoTaTi	1 201.48	1 380.27	422.06±18.5	23
NbMoTaNi	1 350.19	1 356.19	827.2±15.6	11
NbMoTaTi_0.5Ni_0.5	1 750.46	2 277.79	628.4±11.4	15
NbTa_0.5TiMo_0.2	1 298	2 455	452.90		［62］
NbTa_0.5TiMo_0.5	1 534	2 596	325.16
NbTa_0.5TiMo_1.0	1 609		335.20	25
Ti_1.4Nb_0.6Ta_0.6Zr_1.4Mo_0.6		1 690±78			［63］

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选区激光熔化制备难熔高熵合金研究现状与展望

Research status and prospects of refractory high-entropy alloys prepared by selective laser melting

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