《ACTA MATERIALIA》：Cryogenic plasticity enhancement of additively manufactured refractory high-entropy alloys via dislocation junctions
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摘要难熔高熵合金（RHEAs）在极端环境下的结构应用方面极具前景。然而，由于其位错增殖不足和严重的应变局部化导致的塑性下降，其低温应用受到根本性制约。在此，我们报道了一种通过原位多金属合金化激光定向能量沉积（LDED）增材制造（AMed）的 Nb??Ta??Ti??Hf??Z
摘要
难熔高熵合金（RHEAs）在极端环境下的结构应用方面极具前景。然而，由于其位错增殖不足和严重的应变局部化导致的塑性下降，其低温应用受到根本性制约。在此，我们报道了一种通过原位多金属合金化激光定向能量沉积（LDED）增材制造（AMed）的 Nb??Ta??Ti??Hf??Zr? 难熔高熵合金，该合金未经任何后处理。该合金在 ?196 °C 下的断裂延伸率达到 20.5 ± 0.4 %，相比其传统再结晶对应物提高了 3%。研究发现，增材制造过程中复杂的热循环在合金内引入了高密度位错。这些预先存在的位错创造了一个固有的多滑移环境，并降低了在低温下螺位错活动度较低时形成位错网络的能量势垒。从 ?196 °C 变形的初始阶段开始，网络即在基体中形成，并通过位错碎屑和多节点促进位错增殖，从而实现持续的平面滑移，这显著增强了合金的低温变形能力。本工作为设计具有卓越低温强塑性协同的增材制造难熔高熵合金提供了一条经济高效的路径，为面向极端环境的下一代结构材料铺平了道路。
引言
难熔高熵合金（RHEAs）因其卓越的耐高温强度 [1,2]，已成为极端环境下极具前景的结构材料。与一些难熔高熵合金在室温或低温下观察到的脆性断裂[[3], [4], [5]]不同，NbTaTi 基合金体系从低温到高温都能保持可观的强塑性组合 [[6], [7], [8]]。这一特性使 NbTaTi 基难熔高熵合金成为航空航天推进和深空探索的关键材料，这些领域要求在宽温度范围内保持使用性能。
NbTaTi 基难熔高熵合金的强度主要取决于螺位错和刃位错的相对运动能力 [[9], [10], [11]]，而塑性则主要由可动位错的自增殖能力决定 [12,13]。在低温下，难熔高熵合金中螺位错的运动受到高派尔斯势垒和溶质钉扎的严重阻碍，这妨碍了热激活滑移 [9,14]。变形孪晶已被确定为补偿低温下螺位错运动能力显著降低的关键机制 [[15], [16], [17], [18]]。然而，体心立方合金中变形孪晶的激活受合金成分、晶粒尺寸和加载模式等因素的影响，引入了固有的不确定性 [19]。特别是富含第 V 族 β 稳定元素（Nb/Ta）的难熔高熵合金中，孪晶激活在一定程度上受到抑制 [17,20,21]，这导致其在 ?196 °C 下的延性较室温有所下降 [[6], [7], [8],15,16,22]。因此，如何在低温下维持持续的位错增殖并保持均匀的塑性流动，仍未解决。
体心立方纯金属中反常滑移的微观起源被归因于多节点（四位错节点）的协同运动，其速度比孤立螺位错高出几个数量级 [12]。除了作为软化源之外，多节点还能促进位错增殖，从而有助于应变硬化 [23,24]。滑移多节点的形成需要先由两个螺位错之间的二元反应产生 [100] 节点，随后与第三个滑移螺位错发生三元反应 [12]。弹性各向异性促进这一过程，即使在能量上不利的金属中，也可在外载荷下形成节点 [12]，这在体心立方合金和难熔高熵合金在高温变形 [22]、多轴轧制 [25] 和疲劳测试 [26] 等多滑移激活条件下已被观察到。然而，在迁移过程中，螺位错线上的扭结对持续被溶质原子钉扎，使得多滑移在低温下的激活在难熔高熵合金中尤为困难 [9]。
为解决这一根本性挑战，能够实现微观结构调控的增材制造（AM）提供了一条有前景的途径。增材制造过程中高的凝固速率和热循环特性促进高密度本征位错的形成 [[27], [28], [29], [30]]。这在成形材料中创造了一个预先存在的多滑移环境，这是通过传统热机加工难以实现的。在我们最近的工作中 [31]，我们证明了增材制造过程中产生的这些本征位错显著增强了 Nb??Ta??Ti??Hf??Zr?（Nb40）难熔高熵合金在高温下的应变硬化能力。然而，这种方法促进多节点形成并在低温下诱发塑性的潜力仍未得到探索。
本研究通过原位多金属合金化激光定向能量沉积（LDED）策略制备了增材制造 Nb40（AM-Nb40）合金。研究表明，增材制造过程产生了高密度位错，这些位错在低温变形早期阶段诱导了 [100] 位错网络的形成。通过位错碎屑和多节点介导的位错增殖，AM-Nb40 难熔高熵合金表现出卓越的低温塑性，且无需任何后处理。本研究为难熔高熵合金的低温变形建立了一个新范式，为设计适用于极端环境的结构材料提供了一条变革性的途径。
章节摘要
合金制备
AM-Nb40 样品使用由等离子旋转电极工艺（PREP）制备的纯 Nb、Ta、Ti、Hf 和 Zr?.?Nb 粉末（纯度均超过 99.95 wt.%）制备。如图 1a 中的扫描电子显微镜（SEM）图像所示，每种粉末的粒度均匀，主要在 53-150 μm 范围内。样品通过 LDED 系统在纯 Ti 基底上制备（图 1b）。采用衬底层和过渡层策略以提高成形
Nb40 难熔高熵合金样品的微观结构
本研究考察了 AM-Nb40、Cast-Nb40 和 FR-Nb40 样品的微观结构。根据图 S2 中的 XRD 图谱，无论处理方法如何，在 Nb40 难熔高熵合金中均未观察到单相 BCC 基体以外的二次相。三种合金的实际化学成分和氧/氮含量通过 SEM-EDS 测定，总体上与名义成分一致（详见表 S1）。AM-Nb40 合金表现出更高的 O/N
?196 °C 下变形机制的初步表征
为研究变形机制，我们首先使用 EBSD 考察了 AM-Nb40 和 FR-Nb40 试样在 ?196 °C 下拉伸断裂后的晶体学变化。变形合金的 IPF 图如图 5a 和 b 所示，两种合金中的晶粒都可观察到一定程度的变形。此外，两种合金中均激活了大量长而直的机械孪晶。局部含孪晶的变形晶粒由图中的矩形框标出
结论
本研究表明，增材制造在 Nb??Ta??Ti??Hf??Zr? 难熔高熵合金中引入了本征高密度位错，创造了一个固有的多滑移环境，从根本上降低了位错网络形成的能量势垒。在 ?196 °C 拉伸变形过程中，从塑性流动的初始阶段起，显著的二元网络即大量形成。这些网络通过迁移产生位错碎屑，并通过三元反应形成多节点，
CRediT 作者贡献声明
Bo Jiao：概念化、方法论、正式分析、数据管理、撰写 – 原稿。Chunhuan Guo：项目管理、撰写 – 审阅与编辑。Wei Chen：可视化。Wenyao Sun：调查。Haixin Li：调查。Huabing Gao：调查。Chaoli Ma：调查。Shiteng Zhao：调查。Cheng Zhang：概念化、资源、资金获取、撰写 – 审阅与编辑。Fengchun Jiang：资源、资金获取、撰写 – 审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
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Bo Jiao：撰写 – 原稿、正式分析、数据管理、概念化。Chunhuan Guo：撰写 – 审阅与编辑、项目管理。Wei Chen：可视化。Wenyao Sun：调查。Haixin Li：调查。Huabing Gao：调查。Chaoli Ma：调查。Shiteng Zhao：调查。Cheng Zhang：撰写 – 审阅与编辑、资源、资金获取、概念化。Fengchun Jiang：撰写 – 审阅与编辑、资源、资金获取。
Bo Jiao|Chunhuan Guo|Wei Chen|Wenyao Sun|Haixin Li|Huabing Gao|Chaoli Ma|Shiteng Zhao|Cheng Zhang|Fengchun Jiang
