激光定向能量沉积Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5轻质难熔高熵合金：微观结构区域化特征与强化机制

作者及机构
本研究由南京航空航天大学材料科学与技术学院的Longxiang Sun、Leilei Wang（通讯作者）、Yumeng Zhang、Jiahao Zhang、Linqin Li、Xiaohong Zhan（通讯作者）与上海航天设备制造有限公司的Kai Zhao、Lijie Guo合作完成，发表于2025年的《Materials Science & Engineering A》（卷922，文章编号147610）。

学术背景
轻质难熔高熵合金（Lightweight Refractory High-Entropy Alloys, LRHEAs）因其低密度和优异的高温比强度，成为航空航天热端部件的潜在候选材料。然而，传统激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）制备的LRHEAs易因残余应力、高熔点元素及脆性B2/Laves相导致裂纹和塑性下降。本研究旨在通过激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, LDED）技术结合预合金粉末，开发兼具高强度和韧性的新型Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA，并系统研究其微观结构演化与力学性能。

研究流程
1. 材料制备
- 预合金粉末合成：采用感应悬浮熔炼（Induction Levitation Melting, ILM）和等离子旋转电极雾化（Plasma Rotating Electrode Atomization, PREP）工艺制备高球形度粉末，粒径53–114 μm（平均75 μm）。
- LDED工艺：使用YAG光纤激光器（功率1200 W，扫描速度10 mm/s）在氩气保护下制备20 mm × 20 mm × 15 mm的块体样品，层厚600 μm，扫描间距1500 μm。

1. 微观结构表征

   • 多尺度分析：通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）揭示合金的相组成与晶粒形貌。结果显示，合金主体为体心立方（BCC）基体，晶界/亚晶界分布着AlZrV型C14_Laves相（六方结构）。
     
   • 元素偏析：电子探针显微分析（EPMA）表明，Al和Zr富集于枝晶间区域，Nb、V、Ti则偏聚于枝晶干区域，形成区域性元素分布。
     

2. 力学性能测试

   • 压缩性能：在298 K、873 K和1073 K下进行压缩测试，屈服强度分别为1386 MPa、940 MPa和450 MPa，室温比屈服强度（Specific Yield Strength, SYS）达260 kPa·m³/kg，断裂应变20.5%。
     
   • 高温变形行为：1073 K下合金展现超塑性（应变>50%），软化现象表明其韧脆转变温度介于873–1073 K之间。
     

3. 强化机制解析

   • 固溶强化：Zr和V的高晶格畸变效应贡献了主要强度（计算值721 MPa）。
     
   • 第二相强化：C14_Laves相通过半共格界面阻碍位错运动，贡献374 MPa强度增量。
     

主要结果
1. 微观结构：LDED快速冷却抑制元素偏析，形成等轴/柱状双模态晶粒分布。热循环导致Laves相在层间区域呈网状分布，而层内区域则为颗粒状。
2. 力学性能：合金的SYS-塑性匹配优于多数LAM制备的RHEAs，归因于固溶强化与第二相强化的协同作用。
3. 断裂机制：室温下为解理断裂，873 K时出现撕裂棱，高温下塑性显著提升。

结论与价值
本研究成功通过LDED制备无裂纹的Al0.8Nb0.5Ti2V2Zr0.5 LRHEA，其优异的比强度和塑性组合为航空航天轻量化高温部件提供了新材料解决方案。科学价值在于揭示了LDED工艺-微观结构-性能的关联性，应用价值体现在合金的实际工程潜力。

研究亮点
1. 工艺创新：采用预合金粉末LDED技术克服了传统元素混合法的裂纹问题。
2. 结构设计：通过成分优化（Ti/V=1, Zr/Nb=1）平衡密度与性能，抑制有害B2相形成。
3. 机制突破：首次报道AlZrV型Laves相在LRHEAs中的区域化分布及其对强塑性的影响。

其他价值
研究提出的“晶界第二相润湿”现象为多相高熵合金设计提供了新思路，而基于原子尺寸差和电负性差的Laves相预测模型补充了现有高熵合金相形成准则。