單質(zhì)粉末共混LMD制備復(fù)合梯度TiZrNbTa難熔高熵合金

作者:陳子豪、王玲
來源：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

激光金屬沉積(LMD)以前也被稱為激光熔覆，是一種很有前途的材料篩選技術(shù)，因為它提供了修改化學(xué)成分和產(chǎn)生大量小樣本的能力?？紤]到鋯、鈮、鉭、特別是鉿等難熔金屬材料成本高、熔點高，LMD是真空電弧熔煉的一種較好的替代方法。德國波鴻魯爾大學(xué)采用LMD技術(shù)，通過元素粉末共混物的原位合金化，制備了用于篩選的成分梯度難熔高熵合金(HEAs)。用Nb粉逐步替代Zr粉，得到了從Ti25Zr50Nb0Ta25到Ti25Zr0Nb50Ta25的梯度材料。針對難熔元素熔點高、熔點差異大等問題，提出了合適的粉末共混工藝。詳細分析了LMD工藝對最終化學(xué)成分的影響，并對LMD工藝進行了優(yōu)化，得到了明確的組分梯度。Ti25Zr0Nb50Ta25和Ti25Zr25Nb25Ta25的組成為單相bcc固溶體，具有粗晶組織。在等原子比組成之外增加Zr與Nb的比例，可以得到更精細、更堅硬的多相微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 進給速度對樣品化學(xué)均勻性影響的焊縫斷面背散射圖和EDX元素圖

a)進給速度SF=600mm/min b)進給速度SF=100mm/min c)進給速度SF=100mm/min，僅顯示樣品頂部

圖1為3個試樣的SEM圖像和EDX元素圖，說明了重熔過程中進給速度對試樣均勻性的影響。在圖1a中，采用了高進給速度SF = 600mm/min，因此處理時間快，單位長度激光能量低。結(jié)果表明，重熔激光脈沖數(shù)量少，鉭和鈮沒有完全熔化。然而，當(dāng)進給速度降低到SF = 100mm/min時(圖1b)，重熔激光脈沖的數(shù)量會更高，即使樣品的下部和邊緣仍然沒有完全混合，也會產(chǎn)生更均勻的結(jié)構(gòu)。這可以歸因于臨近高導(dǎo)熱的基底有更快速的冷卻層。隨著試樣高度的增加，表層的均勻性提高。
圖1c為5mm高樣品(SF = 100mm/min)的尖端，在相同長度上化學(xué)成分更加均勻。

圖2顯示了重熔過程中脈沖能量對化學(xué)成分的影響。可以看出，隨著脈沖能量的增加，鈦的濃度由于熔池的蒸發(fā)而降低，鉬的濃度由于鉬基體的合金化(污染)而增加。

圖2 重熔過程中脈沖能量對焊縫化學(xué)成分的影響

本研究的結(jié)果首次明確表明，LMD是在一定化學(xué)成分范圍內(nèi)篩選HEAs的合適加工工具。

參考文獻：
Dobbelstein H , Gurevich E L , George E P , et al. Laser metal deposition of compositionally graded TiZrNbTa refractory high-entropy alloys using elemental powder blends[J]. Additive Manufacturing, 2018.