《Additive Manufacturing》：Local-lattice distortion enables remarkable high-temperature strength and ductility in a Nb-based refractory alloy fabricated by laser powder bed fusion
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•开发了一种适用于激光粉末床熔融的新型抗裂Nb-10W-5V合金。•Nb-10W-5V合金展现出优于先进合金的强度。•在1200 °C下，Nb-10W-5V合金表现出更高的延伸率和抗软化能力。•V的添加增强了局部晶格畸变，从而提高摩擦应力并强化合金。•高密度长位错螺线在120
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开发了一种适用于激光粉末床熔融的新型抗裂Nb-10W-5V合金。
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Nb-10W-5V合金展现出优于先进合金的强度。
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在1200 °C下，Nb-10W-5V合金表现出更高的延伸率和抗软化能力。
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V的添加增强了局部晶格畸变，从而提高摩擦应力并强化合金。
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高密度长位错螺线在1200 °C下维持了稳定的塑性流动。
引言
难熔合金凭借其独特的优异性能组合，包括高熔点、卓越的耐高温强度以及耐蚀耐磨性，长期以来一直是航空航天及其他极端环境应用中的关键耐高温结构材料[1], [2], [3]。在众多难熔合金中，铌（Nb）尤为引人注目，因为它兼具8.57 g cm?3的相对较低密度、约2468 °C的高熔点以及低于142 K的延脆转变温度[4], [5]。传统铌合金如C103（Nb-10Hf-1Ti）和Nb521（Nb-5W-2Mo-1Zr-0.07 C）已广泛用于1400-1600 °C的高温环境，并已被应用于火箭喷管和燃烧室的热点部分[6], [7]。然而，铌基难熔合金部件的传统生产通常需要多道锻造工序，随后进行减材加工，导致昂贵的原材料大量浪费[8], [9]。
近年来，增材制造，特别是激光粉末床熔融（LPBF），作为直接制造近净形状零件的高效方法，引起了越来越多的关注[10], [11]。LPBF固有的快速凝固和循环热梯度促进了精细化非平衡微观结构的形成，包括层次结构、胞状亚晶和高密度位错网络，这些结构有助于增强强度和塑性[12], [13], [14], [15], [16], [17]。例如，一种增材制造的难熔高熵合金（成分为Ti??Hf??Nb??V??）由于其凝固成形的微观结构，强度高于其铸态对应物[18]。尽管具有这些优势，但适用于LPBF的铌基合金的开发仍然有限。几种含铌难熔高熵合金，包括NbMoTaW、TiTaNbMoZr和TiZrNbTa，在LPBF加工后表现出高强度和良好的高温性能[2], [8], [19]。然而，这些合金仍面临室温脆性和LPBF诱发缺陷等问题，包括开裂、未熔颗粒和匙孔孔隙[20], [21]。传统铌基合金同样对间隙污染和快速凝固高度敏感，进一步增加了其在LPBF过程中开裂的倾向[22], [23]。因此，LPBF可加工性、强度和塑性之间的长期权衡仍然是铌基难熔合金面临的主要挑战。
目前，仅有少数铌基合金，包括C103和Nb521，已证明可与LPBF加工兼容[24], [25]。例如，C103合金具有良好的LPBF可成形性和室温（RT）塑性，但其在室温和高温下的强度相对有限[26], [27]。相比之下，Nb521（Nb-5W-2Mo-1Zr-0.07 C）是研究最为广泛的LPBF可加工铌合金之一，表现出更高的强度和耐高温能力。先前的研究已成功通过LPBF制备了致密的Nb521部件，并报道了特征性的位错胞状结构、小角度晶界以及含Zr的氧化物或碳化物颗粒[28], [29]。最近的研究将Nb521较高的强度归因于包含纳米级分散碳化物和碳化物装饰晶界的层次化微观结构[25]。然而，Nb521合金的流动应力在1200 °C下屈服后急剧下降，表明存在显著的热激活软化。因此，本研究选择Nb521作为参考合金，因为它代表了研究最为广泛的LPBF可加工铌合金之一，并提供室温和1200 °C下的力学性能数据。
最近关于RHEA的研究表明，严重的晶格畸变可通过增加晶格摩擦和抑制位错移动性来显著提高屈服强度，这为设计高强单相难熔合金提供了有用的描述符[30]。基于这一概念，本合金的设计参考了传统的Cb752合金（Nb-10W-2.5Zr）[31]。W含量保持在10 wt.%以确保高温承载能力，而引入V以替代Zr。V原子半径相对于Nb较小，在BCC铌基合金中产生更大的原子尺寸失配。此外，V的相对较低密度避免了与Mo和Ta等较重难熔元素相关的额外密度代价。重要的是，V含量通过凝固和开裂倾向计算进一步针对LPBF可加工性进行了优化。设计的Nb-10W-5V合金表现出高于典型铌基合金（C103、Nb521）和RHEA的室温强度，并在1200 °C下具有更大的拉伸塑性。上述优异的综合性对于高温结构应用尤其关键，在这些应用中需要兼具承载能力和变形容忍度。此外，采用透射电子显微镜（TEM）表征了微观结构和变形特征，并进行密度泛函理论（DFT）计算以揭示W和V在铌基合金基体中的原子尺度效应。因此，本研究不仅提供了一种强韧的难熔合金设计策略，还揭示了LPBF制造铌基合金中强度-塑性协同的机理理解。
章节摘要
合金设计
本合金（Nb-10W-5V，wt.%）基于模型铌合金Cb752（Nb-10W-2.5Zr）的成分开发[31]。由于W具有高熔点和高刚度，W含量对基体强度和高温承载能力贡献显著。因此，保留10 wt.%的W含量以维持铌基基体的耐高温强度。研究表明，V是一种非常有效的强化元素，因为其较小的原子半径
初始微观结构
通过EBSD和TEM对热处理后LPBF制造的Nb-10W-5V合金的初始微观结构（包括晶粒尺寸和取向分布）进行了表征（图3）。IPF图显示，XY平面和XZ平面上的微观结构分别以等轴晶粒和柱状晶粒为主（Z方向平行于构建方向，见图3(a-b)）。此外，XY平面上的平均晶粒尺寸估计为22.65 μm（图3(c)）。长宽比
有效强化机制的贡献
为了理解高强度的宏观来源，Nb-10W-5V合金在室温下的屈服强度通过有效强化机制的总和进行估算，包括固溶强化、位错强化和晶界强化。
固溶强化贡献采用Senkov等人[50], [51]提出的改进Labusch固溶强化模型进行估算，该模型考虑了原子尺寸
总结
本工作开发了一种新型LPBF可加工铌基难熔合金Nb-10W-5V。将Nb-10W-5V合金的拉伸变形行为与几种典型的铌基合金（如Nb521、Cb752和C103）进行了比较。此外，通过多尺度微观结构表征和第一性原理计算，系统地研究了内在强化和塑性机制。主要结论总结如下：
CRediT作者贡献声明
徐理：撰写——审阅与编辑，调查。朱甘张：撰写——审阅与编辑，调查。王伟：撰写——审阅与编辑，调查。黄永江：撰写——审阅与编辑，方法论。梁秀兵：撰写——审阅与编辑，监督，资源，方法论，资金获取。丁杰：撰写——审阅与编辑，调查。卢开宇：撰写——初稿，监督，方法论，调查，资金获取，形式分析，
利益冲突声明
作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（NSFC，资助编号52475413、52305171、52595632）的支持。
丁杰|卢开宇|张渊博|王凯鑫|徐理|朱甘张|王伟|黄永江|梁秀兵
