关于增材制造铌基合金中W和Mo溶质-位错相互作用对力学性能影响的深入见解

《Journal of Materials Science & Technology》：Insights of W and Mo solute-dislocation interactions into governing the mechanical properties in additively manufactured Nb-based alloys

　　

• •
  L-PBF铌合金展现出成分依赖的微观组织和延展性。
• •
  W/Mo溶质通过原子尺度相互作用改变位错迁移率。
• •
  溶质诱导的应变场和键合变化增加了滑移阻力。
• •
  多尺度研究将合金化学、位错行为与强度联系起来。
• •
  L-PBF Nb321实现了强度-延展性平衡，而过合金化的Nb521则未能实现。

引言

难熔金属，包括钨（W）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）和铼（Re），由于其高熔点和在高温下良好的抗蠕变性能，成为高温（HT）结构应用的有前景的候选材料[[1]、[2]、[3]]。在这些难熔金属中，Nb是最具吸引力的元素之一，因为它具有最低的密度（8.57 g/cm³），同时具备优异的室温（RT）延展性和良好的可加工性，这有利于部件的轻量化设计[[4]、[5]、[6]]。然而，纯Nb的强度随着温度的升高而迅速下降[7]，限制了其在极端高温环境中的应用。在实践中，W和/或Mo通常被用作合金元素，以有效提高Nb的高温强度[[8]、[9]、[10]]，这是因为它们在高温下能有效钉扎位错并延缓原子扩散。基于这一原理，多种Nb基合金如Nb521（Nb-5W-2Mo-1Zr）、Cb-752（Nb-10W-2.5Zr）和D-43（Nb-10W-1Zr-0.1C）已被成功开发并广泛使用至今[11,12]。以往对这些合金的研究主要集中在常规加工、微观组织表征和宏观力学性能方面[11,13]。

通常，将W和Mo溶质合金化到Nb基体中会引起局部晶格畸变，这主要源于溶质（W和Mo）与溶剂（Nb）原子之间的原子尺寸失配和弹性模量失配[14]。已知这种效应提供固溶强化，但会导致室温延展性的显著降低。这种高温强度与室温延展性之间的权衡在通过增材制造（AM）制备的这些合金中更加严重，因为其具有非平衡凝固特征。具体而言，激光粉末床熔融（L-PBF）固有的极端热梯度和超快速凝固会产生显著的热应力和非平衡微观组织，包括高缺陷密度和有限的溶质再分布[15,16]。因此，含有W和Mo溶质的这些Nb基合金通常表现出复杂的位错特征、可打印性受限且延展性降低，甚至在使用L-PBF时出现变形[[17]、[18]、[19]]。解决这些挑战需要对含W和Mo的Nb基合金延展性降低的根本原因进行深入理解。特别是，详细研究溶质原子（W和Mo）与位错行为之间的相互作用，对于理解它们对这些合金的加工响应（如可打印性）和力学行为的贡献至关重要。

以往的研究为体心立方（BCC）结构金属和合金中的位错介导变形提供了基础性见解。经典和唯象模型表明，BCC结构金属中的位错迁移率强烈依赖于位错特征、应力和温度[20,21]，而最近的研究已确定螺型位错和刃型位错的相对迁移率是调控韧脆转变的关键因素[22,23]。在BCC结构合金中，第一性原理计算表明，溶质-位错相互作用会导致固溶硬化或软化，这取决于合金化学成分[24,25]。此外，化学短程有序和局部晶格畸变可以改变多元素合金中的位错迁移率和变形行为[[26]、[27]、[28]、[29]]。尽管取得了这些进展，但对于W和Mo溶质如何将其与Nb基体的原子尺度相互作用转化为L-PBF制备的Nb基合金中位错特征、迁移率、应变容纳能力以及最终拉伸响应的演变，仍不清楚。解决这一知识空白对于建立溶质浓度、晶格应变演化和位错迁移率之间的机理联系，以及确定保持强度-延展性平衡的可行成分窗口至关重要。

本研究聚焦于揭示L-PBF制备的Nb基合金中W和Mo与位错的原子相互作用原理。通过比较含有不同含量W和Mo的Nb基试样，结果表明，溶质-位错相互作用效应导致不同的拉伸响应：中等溶质水平促进位错积累和加工硬化，而过量溶质水平导致严重的位错钉扎、应变不相容性和过早断裂。本研究建立了含W和Mo的Nb基合金中溶质化学、位错动力学和力学性能之间的机理联系，为难熔合金的设计提供指导。

章节摘要

粉末原料与激光粉末床熔融

采用喷射磨对氢化脱氢铌粉末进行改性，然后将改性Nb、W、Mo和Zr粉末的混合物用作制造三种试样的原始原料，其标称成分为100% Nb（纯Nb）、Nb-3wt.%W-2wt.%Mo-1wt.%Zr（Nb321）和Nb-5wt.%W-2wt.%Mo-1wt.%Zr（Nb521），如补充材料中的图S1所示。通过扫描电子显微镜（SEM，JSM-SU8100）表征粉末形貌。粒径分布为

微观组织

图S1(g)展示了打印态试样的宏观图像，显示试样中没有明显的宏观裂纹。Nb、Nb321和Nb521的相对密度分别为（99.7±0.1）%、（99.5±0.2）%和（99.4±0.2）%，表明总体孔隙率水平较低。

图1显示了Nb、Nb321和Nb521垂直于

位错迁移率的分子动力学模拟

位错迁移率是Nb基合金塑性变形行为的关键微观决定因素。为了比较刃型位错和螺型位错对W和Mo合金化的相对响应，我们在300 K下对三个BCC模型在不同施加剪切应力下进行了MD模拟（图S3）。MD模拟中使用的应力水平显著高于实验中的应力水平，从而在可访问的MD时间尺度内实现可测量的位错运动。尽管如此，

结论

总之，系统地研究了W和Mo溶质对L-PBF制备的Nb基合金微观组织、位错行为和拉伸响应的影响。主要结论如下：

• （1）
  W和Mo的添加细化了晶粒结构，减弱了织构，并增加了初始位错密度。同时，刃型位错和螺型位错之间迁移率对比的降低促进了螺型位错比例随溶质含量的增加而提高。
• （2）
  W和Mo产生

CRediT作者贡献声明

Jianan Chen： 撰写-初稿，可视化，方法学，调查，正式分析。 Chang Liu： 撰写-初稿，方法学，数据管理。 Gang Chen： 撰写-审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。 Yifan Wang： 撰写-审阅与编辑，方法学。 Weizhong Han： 撰写-审阅与编辑，方法学。 Mingli Qin： 监督，资金获取。 Xuanhui Qu： 监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道可能影响本文报告的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

感谢昆士兰大学Jin Zou教授的有益讨论。感谢上海光源Wuxin Yang博士在同步辐射HEXRD实验方面的协助。感谢国家自然科学基金（项目编号：U2441262、52674466、51971036（G.C.）、52074032、52130407（X.Q.）、52131307、52071013、51774035和52174344（M.Q.））、国家高层次人才特殊支持计划（G.C.）、前沿技术

Jianan Chen|Chang Liu|Gang Chen|Yifan Wang|Weizhong Han|Mingli Qin|Xuanhui Qu