东北大学&中科院金属所Acta Materialia：DED异质结构助力TiZrNbVAl高熵合金强塑双优

2025-08-25 15:08:38 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

耐火高熵合金（RHEAs）由于具有高强度和优异的热稳定特性而显示出巨大的应用潜力，但目前实现强度和塑性之间的平衡仍然是一个挑战，特别是对于富Ti的RHEAs在室温下通常表现出有限的塑性。

东北大学&中科院金属所的研究团队近日证明了定向能量沉积（DED）可以有效地实现TiZrNbVAl高熵合金强度和塑性平衡。该研究发现了DED制备的TiZrNbVAl合金薄壁试样的屈服强度超过900MPa且塑性超过27%，该性能明显优于铸态试样的835MPa屈服强度和18.8%塑性。研究成果以“Superior Strength-Ductility Synergy in TiZrNbVAl High Entropy Alloys via Additive Manufacturing”为题发表在国际期刊《Acta Materialia》上，为利用DED技术制备具有优异强塑性平衡的RHEAs提供了新的见解，并为航空航天、能源以及其他高性能应用的先进结构材料的开发提供了理论指导。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121389

【核心内容】

这项研究对比了通过DED制备的RHEAs和真空电弧熔炼制备的铸态RHEAs的性能，发现DED通过形成交替等轴和柱状枝晶异质结构后能使合金室温屈服强度超900MPa、断裂伸长超27%，优于铸态的835MPa和18.8%。高温下RHEAs强度随温度升高降低、塑性提升，600℃出现少量C14 Laves相，800℃发生显著动态再结晶，DED-RHEAs强塑协同源于异质变形诱导等机制，证实了DED可高效制备高性能该合金。

图形摘要

【研究方法】

研究以Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25 RHEAs为研究对象，采用定向能量沉积（DED）与真空电弧熔炼两种方式制备样品，其中DED用PREP制备50~150μm粉末用于打印60层薄壁件，铸态反复熔炼8次制备出RHEAs。通过XRD、OM、SEM、EBSD和TEM表征微观结构，并在室温和400~800℃下测定材料的力学性能，对比分析结构与性能差异，揭示强塑协同机制。

(a) Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25 RHEAs粉末的扫描电镜图像, (b) DED工艺示意图, (c) Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25 RHEAs薄壁的正视图和侧视图, (d) 表征样品示意图

【研究成果】

① 微观结构调控

两种方式下制备的RHEAs均为单相BCC结构，无B2有序相，DED由于具有高冷却速率显著抑制了Zr、Nb等元素偏析，而铸态样品存在严重元素偏析。另外，DED制备的样品形成了交替等轴和柱状枝晶的异质结构，其中等轴晶占比高，平均粒径为21.8μm，铸态样品为全等轴枝晶结构。

(a1-a3) DED样品的OM图像, (b1, b2) DED样品的IPF, (c1, c2) 铸态试样的OM和SEM图像, (d) 图2(a1)对应的纹理, (e) DED样品的EDS图像, (f) 铸态样品的EDS图像

② 力学性能提升

DED样品室温屈服强度达903~914MPa，相比于铸态的室温屈服强度高9.5%，其塑性达27.4%~28.3%，相较铸态的塑性高出了50.5%。400℃时DED样品的屈服强度为750MPa、塑性24.8%，600℃时其屈服强度和塑性分别为421MPa和53.4%，此时晶界开始出现少量C14 Laves相但未恶化塑性，800℃时样品的屈服强度为66MPa，塑性达67.6%，该状态下C14相溶解，动态再结晶晶粒占比6.0%。

室温力学性能

(a) 不同温度下的工程应变应力，(b) 高温拉伸后的XRD图谱

(a-d) HT600和HT800未变形区域的TEM和SAED图像, (e) HT600未变形区域GB元素分布, (f-h) HT400、HT600和HT800断裂附近的EBSD结果

③ 强塑协同机制突破机制

DED制备的样品的强塑协同主要依赖于异质变形诱导（HDI）强化，HDI通过背应力提升软相（柱状晶）承载能力以增强强度，前应力使硬相（等轴晶）变形以提升塑性，同时GND在两相界面堆积进一步调节变形。

变形时样品会形成与基体取向差为～27°的扭折带，能通过晶格旋转实现晶格软化而提升塑性，且扭折带内可生成新扭折带进一步协调变形。多个滑移系被激活，柱状晶的几何相容性因子（m'）更高，更容易发生滑移传递提升变形协调性。另外，DED制备的样品更容易形成<101>//拉伸轴的α纤维织构，促进位错运动与均匀塑性变形，而铸态样品无优先取向，织构强度低。