MSEA2025 I 南京航空航天大学 I 激光定向能量沉Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅轻质耐火高熵合金:微观结构特征与强化机制的区域化研究!

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导读 

轻质耐火高熵合金（LRHEAs）因其密度较低且在室温和高温下均表现出优异的比强度，正成为轻量化及高温应用领域极具潜力的候选材料。然而，由于残余应力较大、组元熔点较高以及存在大体积分数的B2或Laves相，激光增材制造的LRHEAs常伴有裂纹缺陷、粉末未熔合及室温塑性下降等问题。本研究采用预合金化粉末，通过激光定向能量沉积（LDED）技术成功制备出无裂纹的LRHEA，并系统研究了其显微组织特征与压缩力学性能。该合金呈现出细小的等轴/柱状双峰晶粒尺寸分布，基体为BCC相，晶界/亚晶界附近分布有AlZrV型C14_Laves相。LDED过程中的高冷却速率在一定程度上抑制了元素微观偏析，且受LDED热历史影响，C14_Laves相呈区域性分布。该合金室温压缩屈服强度达1386 MPa，873 K时为940 MPa，1073 K时为450 MPa。在298 K下，该LRHEA表现出260 kPa·m³/kg的高比屈服强度（SYS）及20.5%的优异断裂应变，优于多种激光增材制造（LAM）耐火高熵合金；这可归因于固溶强化与第二相强化的协同作用。该LRHEA优异的“比屈服强度-塑性”综合性能，凸显了其在先进结构应用中的巨大潜力。

主要图表

图1. Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅ LRHEA 预合金粉末及其示意图：(a)扫描电镜形貌；(b)粒径分布；(c) LDED 工艺流程；(d)最终产物；(e)压缩试样与金相试样的几何尺寸。

图2. Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA 的相结构与微观组织：(a) XOZ 截面的光学显微镜图像；(b–d)柱状晶粒、细小等轴晶粒以及含较少枝晶的柱状晶粒的放大图像；(e) XRD 图谱；(f–g)枝晶特征的扫描电子显微镜图像。

图3. 从 XOZ 截面获取的 EBSD 结果：(a) EBSD IPF 图像；(b)PF分布图；(c)叠加晶界后的IQ分布图；(d)晶粒直径分布直方图；(e)柱状晶粒长径比直方图；(f)错向角直方图。

图4. Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA 的TEM结果：(a)明场TEM图像；(b、c)圈出区域I和II的 SAED 图谱；(d)显示体心立方基体与 C14_Laves 相界面的 HRTEM 图像；(e)基体对应的倒置 FFT 图谱。

图5. Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA 在枝晶与枝晶间隙处的 EPMA 元素表面分布。

图6. Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA 的元素表面分布：(a)明场透射电镜图像及能谱分析图；(b)点1和点2处的元素含量定量结果。

图7. 通过Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5合金在不同温度[10、17、18、21–23]下压缩试验获得的工程应力-应变曲线。

图8. Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA 的SEM断裂形貌：(a) 298 K时；(b) 873 K时。

图9. Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅ LRHEA 试样在1073 K下经50%压缩变形后的微观结构：(a)试样中部的变形晶粒及析出物；(b)试样底部边缘的变形晶粒及析出物；(c)(b)的放大图像；(d)(a)的高倍放大图像；(e)元素分析能谱（EDS）元素分布图；(f–g)两个区域的定量EDS点扫描结果。

图10. Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅ LRHEA 中两种主要元素间的二元混合焓及各元素的原子半径。

图11. 异质微观结构的形成机制：(a) LDED -ed样品的DSC热分析曲线；(b)随时间变化的温度曲线；(c)晶粒演变的典型示意图。

图12. 层间区域中第二固相对分离行为及晶界润湿性的影响变化：(a)絮状与颗粒状拉夫斯相；(b)长条状与网状拉夫斯相；(c)层间微观结构演变示意图。

图13. Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅ LRHEA 中五个元素的计算不匹配值。

主要结论

在本研究中，采用预合金粉末通过激光定向能量沉积（LDED）制备了 Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅ 轻质难熔高熵合金（LRHEA），该合金表现出优异的比屈服强度与延展性匹配。系统研究了其室温及高温下的显微组织特征和力学性能，主要结论如下：

（1）在沉积层边界处观察到细小等轴晶，柱状晶从这些等轴晶处外延生长，并占据沉积层中心区域，形成细小等轴晶与柱状晶交替分布的组织特征。基体呈 BCC 结构，C14_Laves 相呈六方结构，主要分布在晶界或亚晶界处。

（2）Al 和 Zr 倾向于在枝晶间区域富集，而 Nb、V 和 Ti 则偏析于枝晶区域。在 Al 和 Zr 高度富集的部分区域，会在晶界或亚晶界处形成絮状和羽毛状 AlZrV Laves 相，这可定义为“晶界被第二固相润湿”。

（3）该 LRHEA 的压缩屈服强度在室温下达到 1386 MPa，在 873 K 下达到 940 MPa，在 1073 K 下达到 450 MPa。室温下，该合金表现出高达 260 kPa·m³/kg 的比屈服强度和 20.5% 的优异断裂应变，超过了多种其他激光增材制造难熔高熵合金。

（4）LDED 过程中特有的热循环导致层内区域和层间区域中 Laves 相对晶界润湿程度不同。位于沉积层边界处的等轴晶晶界几乎被第二相完全润湿，并伴随更严重的微观偏析。

（5）Al₀.₈Nb₀.₅Ti₂V₂Zr₀.₅ 合金的高屈服强度主要归因于固溶强化和第二相强化。Zr 和 V 的存在导致更严重的晶格畸变，并对固溶强化贡献更大。

主要信息

Laser directed energy deposited Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 lightweight refractory  high entropy alloy: Regionalization of microstructure characteristics and  strengthening mechanisms

https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147610

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