通过激光定向能量沉积技术优化高强度相干体心立方（BCC）/B2型多主元素合金的微观结构与性能

《Materials Science and Engineering: A》：Optimization of microstructure and properties in high-strength coherent BCC/B2 multi-principal element alloys via laser directed energy deposition

BCC基多主元合金Al?Ti?Zr?Nb?Ta?通过激光增材制造（LDED）成功制备，获得室温抗拉强度2013 MPa，800℃时仍保持1380 MPa强度。LDED工艺形成均匀共格BCC/B2微结构，其中立方BCC纳米析出相显著提升强度，同时抑制了传统铸造易生成的脆性相。

　　

Xuanhong Cai|Liufei Huang|Congcong Ren|Ben Niu|Yancheng Li|Qing Wang|Jinfeng Li

大连理工大学材料科学与工程学院，中国大连，116024

摘要

基于体心立方（BCC）的多主元素合金（MPEAs）因其优异的机械性能，尤其是在高温下，被认为是有前景的材料。然而，它们有限的加工性和高熔点给通过传统铸造制造承重部件带来了重大挑战。本研究展示了通过激光定向能量沉积（LDED）成功开发出一种新型的Al₂Ti₄Zr₄Nb₃Ta₃ BCC基MPEA。通过LDED制造的圆柱形部件表现出优异的成型性，没有裂纹和变形。LDED工艺促进了合金的微观结构优化，形成了均匀的BCC/B2微观结构，其中立方体BCC纳米颗粒沉淀在B2基体中，并在室温下实现了高达2013 MPa的超高屈服强度。这种优异的强度主要归因于立方体BCC纳米颗粒的沉淀强化和合金元素的固溶强化。此外，该LDED合金在873 K时的屈服强度为1380 MPa，在1273 K时仍保持290 MPa的屈服强度。这项工作为BCC基MPEAs的增材制造提供了可行的途径，从而促进了它们的工业应用。

引言

基于BCC的多主元素合金（MPEAs）由于其卓越的机械性能而引起了广泛的研究兴趣[1]、[2]、[3]。大多数BCC基MPEAs主要由早期过渡金属（ETM = Cr、Mo、W、V、Nb、Ta等）组成，这些金属倾向于形成单相BCC固溶体[4]。由于其在高温下的优异机械性能[5]、[6]，这些合金在航空航天、能源等领域具有巨大的潜力。然而，这些MPEAs中的重元素（如W、Nb、Ta）通常导致相对较高的密度（ρ > 10 g?cm^?3），从而大大限制了它们的工程应用潜力[4]。因此，通常引入低密度元素如Al、Cr、Ti和Si来部分替代重元素，其中六方Laves相和Al_xZr_y相可以作为第二相沉淀到BCC基体中[7]。尽管这些MPEAs的强度有所提高，但要实现高强度和足够的塑性仍然具有挑战性，因为第二相通常与BCC基体半相干或不相干[8]。有趣的是，向BCC基MPEAs中引入Al可以促进B2相的相干沉淀，有效缓解了这一限制[9]、[10]。迄今为止，在开发具有优异强度-塑性平衡的BCC/B2相干MPEAs方面取得了显著进展[11]、[12]。例如，AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr MPEA表现出超过2000 MPa的显著压缩屈服强度（σ_YS）和约10%的压缩断裂应变（ε）[9]。然而，传统的铸造方法由于B2相的固有亚稳性，往往会导致脆性的六方Al_xZr_y或ω相的沉淀[13]、[14]、[15]、[16]。此外，传统的铸造工艺由于流动性差和冷却速率慢，会导致严重的收缩孔隙和粗大晶粒，从而阻碍了大型或几何形状复杂部件的制造[7]、[17]。因此，相干BCC/B2 MPEAs的工业应用仍受到这些限制的阻碍。

增材制造（AM）技术，如LDED和激光粉末床熔融（LPBF），为MPEAs的制造提供了变革性的解决方案。它们独特的逐层制造工艺能够生产出接近净形状的复杂几何形状的部件，同时优化微观结构和机械性能[18]、[19]、[20]。据报道，通过LDED成功制造了无缺陷的TiZrHfNb、TiZrVNb和TiZrNbVAl BCC基MPEA薄壁部件，表现出良好的成型性和机械性能[21]、[22]、[23]、[24]。最近，关于BCC/B2相干MPEAs的增材制造也有许多报道[25]、[26]、[27]。通过LDED制造的Al₁₀Nb₁₅Ta₅Ti₃₀Zr₄₀ MPEAs表现出优异的机械性能平衡（σ_YS ～ 1400 MPa，ε ～ 45%）[25]。尽管LDED由于其高冷却速率和反复熔化可以减轻成分偏析，但它仍无法有效防止脆性金属间化合物的沉淀。例如，在LDED制造的AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr MPEA中观察到了大量的Al-Zr六方密排（HCP）相，即使经过高温退火后仍然存在，导致压缩应变（ε < 14%）[27]。这表明仅靠增材制造工艺不足以消除脆性相。因此，合理的合金成分设计对于获得具有BCC/B2微观结构的完美相干MPEAs至关重要。

在我们之前的工作中，我们通过Al₂M₁₄的簇公式方法开发了一系列具有BCC/B2相干微观结构的Al过渡金属（TMs）系MPEAs，其中M代表多种TMs的组合，能够形成球形或立方体相干纳米沉淀物[28]、[29]。特别是Al₂Ti₆Zr₂Nb₃Ta₃合金在长期老化后表现出稳定的相干BCC/B2微观结构，但其强度（σ_YS ～ 1193 MPa）相对较低[30]。为了进一步提高合金强度，有意调整Ti和Zr元素的比例，以调节BCC和B2相的体积分数，从而增强沉淀强化效应。在这里，通过LDED设计并制造了一种新型的高强度Al₂Ti₄Zr₄Nb₃Ta₃ BCC基MPEA。对LDED制造和铸态合金的微观结构和机械性能进行了系统比较，揭示了LDED合金的强化和变形机制。研究结果表明，LDED有效地优化了微观结构并提高了合金的机械性能。这项工作为BCC基MPEAs的增材制造提供了新的见解，并突出了它们在结构应用中的潜力。

材料与方法

采用高纯度氩气气氛下的真空电弧熔炼方法，使用商业纯度为99.99 wt.%的金属元素（原材料）制备了名义组成为Al₂Ti₄Zr₄Nb₃Ta₃的合金锭。此外，还使用了通过等离子旋转电极工艺制备的商业生产的预合金化Al₂Ti₄Zr₄Nb₃Ta₃粉末作为LDED的原料。如图1所示，粉末颗粒具有近球形形态和均匀的元素分布

结果与讨论

图3(a)显示了铸态和LDED制造合金的XRD图谱，表明两种合金主要呈现BCC晶体结构，而微弱的（100）超晶格衍射峰表明存在少量有序的B2相。特别是，LDED合金中BCC和B2相的晶格常数分别为a_BCC = 0.3337 nm和a_B2 = 0.3353 nm（通过峰分离处理测量，见图3(b)）。因此，BCC和B2相之间的晶格失配（δ）

结论

总之，通过LDED成功制备了一种新型的Al₂Ti₄Zr₄Nb₃Ta₃ BCC基MPEA，实现了高达σ_YS ～2013 MPa的屈服强度和ε ～ 21%的压缩应变。LDED工艺能够直接形成具有立方体BCC纳米颗粒沉淀的BCC/B2相干微观结构，从而有效减轻了元素偏析并抑制了B2→ω相变。LDED合金的优异屈服强度主要来源于固溶强化

作者贡献声明

Liufei Huang：撰写——原始草稿，可视化，研究。Xuanhong Cai：撰写——原始草稿，可视化，方法学，研究，数据分析，概念化。Qing Wang：撰写——审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。Yancheng Li：可视化，研究。Ben Niu：可视化，研究。Congcong Ren：可视化，研究。Jinfeng Li：撰写——审稿与编辑，监督，方法学，资金

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国科学挑战项目（项目编号TZ2025009）和中国国家自然科学基金（项目编号52571198和U24A2024）的支持。作者感谢大连理工大学的Fengyun Yu在SEM/EBSD表征和分析方面的帮助。