B4C纳米颗粒增强WMoTaTi难熔高熵合金的激光粉末床熔融制备：微观结构优化与力学性能突破

针对难熔高熵合金(RHEAs)在高温极端环境应用中存在的制备难题和力学性能瓶颈，研究人员通过激光粉末床熔融(LPBF)技术引入B4C纳米陶瓷颗粒强化WMoTaTi合金体系。研究发现1.0 wt.% B4C添加使室温屈服强度提升47%至1558MPa，1200°C高温强度达536MPa，揭示了纳米TiC析出相与固溶B原子的协同强化机制，为极端环境材料设计提供了新思路。

　　

在航空航天领域飞速发展的今天，超音速飞行器和超燃冲压发动机对耐高温材料提出了近乎苛刻的要求——既要承受1600°C以上的极端温度，又要具备优异的抗热震性能。传统镍基高温合金已逐渐触及性能天花板，而新兴的难熔高熵合金(RHEAs)因其突破性的高温强度被视为"下一代高温材料之星"。然而这些含钨、钼、铌等难熔金属的合金却面临两大困境：像玻璃一样的本征脆性使其加工成型困难，而高温氧化敏感又如同阿喀琉斯之踵制约着实际应用。更棘手的是，复杂形状部件的制备问题让许多实验室成果止步于论文数据，难以转化为实际零件。

面对这些挑战，来自国内的研究团队选择了一条创新路径——将被誉为"陶瓷之王"的B₄C纳米颗粒与WMoTaTi难熔高熵合金结合，采用激光粉末床熔融(LPBF)这一革命性3D打印技术进行制备。这项发表在材料科学顶级期刊《Materials Science and Engineering: A》的研究，不仅实现了47%的强度跃升，更解锁了材料在1200°C高温下的卓越性能，为极端环境材料设计树立了新标杆。

研究人员采用机械混合法制备(WMoTaTi)_100-x(B₄C)_x复合粉末（x=0-1.0 wt.%），通过优化LPBF工艺参数实现致密成型。借助X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)解析相组成，结合透射电镜(TEM)观察纳米析出相分布，并通过室温/高温压缩试验评价力学性能。特别关注了B₄C添加量对微观结构演变的影响规律。

【Microstructural characterization】部分揭示：未添加B₄C的合金呈现典型BCC结构，而1.0%B₄C样品中原位生成20-50nm的TiC纳米颗粒，这些颗粒优先钉扎在晶界处。高角环形暗场像(HAADF)显示B原子固溶于基体，形成独特的"纳米陶瓷颗粒-固溶原子"双强化架构。

【Mechanical properties】数据显示：随着B₄C含量增加，室温压缩屈服强度呈阶梯式增长，1.0%B₄C样品达到1558MPa，较基体提升46.7%。高温测试中更展现出惊人稳定性——1200°C下强度保持536MPa，比未强化合金提高20%。断口分析表明纳米TiC有效阻碍裂纹扩展，使材料在获得超高强度的同时保持适度塑性。

【Strengthening mechanisms】部分通过Orowan强化模型计算证实：纳米TiC产生的析出强化贡献达322MPa，而固溶B原子引起的晶格畸变提供额外189MPa强度提升。LPBF特有的超高冷却速率(10⁵-10⁸ K/s)进一步细化晶粒至3.2μm，形成"纳米析出相-细晶强化"的协同效应。

这项研究的意义远超出数据本身。它首次证实B₄C纳米颗粒在RHEAs中的多重强化作用：既通过形成TiC纳米相实现物理钉扎，又借助B原子固溶产生化学强化。更关键的是，LPBF技术成功解决了难熔合金成型难题，使复杂构件的高性能制造成为可能。正如通讯作者Hongyuan Wan强调的，这种"材料设计-工艺优化-性能调控"三位一体的研究范式，为开发新一代超高温结构材料提供了可复制的技术路线。未来在航空发动机热端部件、高超音速飞行器前缘等极端环境应用中，这类纳米强化RHEAs或将展现变革性潜力。