通过定向能量沉积技术增材制造的难熔高熵合金中存在的加工缺陷及其损伤机制

《Journal of Materiomics》：Processing defects and damage mechanisms in refractory high-entropy alloys additively manufactured via directed energy deposition

高熵合金增材制造中缺陷形成机制与力学性能优化研究。通过直接能量沉积技术制备Ti41V27Hf13Nb13Mo6 RHEA，分析熔池特性与加工参数（激光功率/扫描速度）的关联，揭示未熔合缺陷与微孔对脆性断裂的影响规律。提出熔池重熔和高温高能密度加工两种缺陷抑制策略，前者通过温度场模拟实现熔池完全重熔，后者利用高能输入减少未熔颗粒。实验表明优化后材料抗拉强度超1GPa，延伸率达17.9%，断裂机制由裂纹扩展主导转向孔洞萌生主导，有效抑制应变局部化。

　　本研究探讨了难熔高熵合金（RHEAs）在直接能量沉积（DED）技术下的制造过程及其性能表现。RHEAs因其在高温环境下表现出优异的抗塑性流动软化特性而被认为是高温应用的潜在候选材料。然而，其脆性特性使得在复杂几何结构中制造工程部件变得困难。DED技术作为一种逐层制造方法，提供了设计和成型的灵活性，但在制造过程中，由于组成元素的物理性质差异较大以及快速凝固条件，容易产生加工缺陷，从而限制了RHEAs的实际应用。

在本研究中，我们关注了一种通过混合粉末制造的Ti41V27Hf13Nb13Mo6 RHEA，并对其固有缺陷的形成机制进行了深入分析。通过与加工参数的关联，我们发现激光功率和扫描速度是调控缺陷形成的关键因素。能量输入不足会导致未熔合缺陷的产生，使得打印出的样品在拉伸测试中表现出脆性。详细的微观结构表征表明，未熔合缺陷会成为裂纹萌生的部位，特别是在微孔合并过程中，这会促进材料的过早失效。

为了解决这一问题，我们通过温度场模拟实施了重熔（策略Ⅰ）和高能量密度加工（策略Ⅱ）。这两种策略在模拟中被证明是有效的。对于采用策略Ⅰ制造的中等缺陷含量的RHEA，其损伤机制主要由裂纹主导；而对于采用策略Ⅱ制造的低缺陷含量的RHEA，其损伤机制则主要由空洞萌生主导。在后者中，减少裂纹的形成有效地抑制了变形过程中的应变局部化。优化后的RHEA表现出高达17.9%的拉伸延展率和超过1 GPa的屈服强度。这些发现为设计具有优异强度-延展性协同作用的DED RHEA提供了框架，并推动了AM技术在结构金属材料中的应用。

在研究过程中，我们采用了多种技术手段对DED RHEA的制造过程进行分析。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术对材料的微观结构进行了表征。SEM图像显示，所使用的Ti、V、Hf、Nb和Mo粉末均具有良好的球形度，且颗粒尺寸在53至150微米之间，Hf粉末的尺寸则在15至53微米之间。此外，我们还利用3D X射线计算机断层扫描（CT）技术对打印出的RHEA进行了详细的缺陷分析。这些技术手段帮助我们识别了材料在制造过程中可能出现的缺陷类型，并进一步探讨了这些缺陷对材料性能的影响。

通过温度场模拟，我们优化了DED制造工艺，成功提升了材料的成型质量。在优化过程中，我们发现激光功率和扫描速度对缺陷的形成具有显著影响。能量输入不足会导致未熔合缺陷的产生，而这些缺陷会成为裂纹萌生的部位，进而影响材料的力学性能。通过增加激光功率和调整扫描速度，我们能够有效减少未熔合缺陷的形成，从而提高材料的延展性和强度。

此外，我们还采用了数字图像相关（DIC）技术和滑移痕迹分析方法，进一步探讨了未熔合缺陷和空洞对材料损伤机制和力学响应的影响。这些技术手段帮助我们更全面地理解了材料在不同加工条件下的表现，并为优化加工参数提供了科学依据。通过这些分析，我们发现未熔合缺陷和空洞的形成与材料的加工参数密切相关，而通过调整这些参数可以有效改善材料的性能。

本研究的结果表明，加工条件、缺陷损伤和力学性能之间存在密切的关联。这一发现为制造具有优异强度和延展性的RHEA提供了重要的指导。通过策略Ⅰ和策略Ⅱ的实施，我们能够有效减少材料的脆性，提高其塑性。这不仅有助于解决RHEA在制造过程中出现的缺陷问题，还为实现材料的高性能应用提供了新的思路。

总的来说，本研究通过系统的实验和模拟分析，揭示了DED技术在制造RHEA过程中的关键影响因素，并提出了有效的策略来优化材料的性能。这些策略不仅有助于提高材料的成型质量，还为实现材料的强度-延展性协同作用提供了科学支持。研究结果为未来的RHEA制造和应用提供了重要的参考，推动了AM技术在结构金属材料领域的进一步发展。