郭朝陽，張百成，2，溫耀杰，李祺祺，曲選輝，2

(1.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，北京100083;2.現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

0 引言

高熵合金(High Entropy Alloy,HEA)是由我國臺灣學(xué)者葉均蔚教授[1]提出的全新的合金設(shè)計(jì)概念,對傳統(tǒng)單一合金體系的理念進(jìn)行了顛覆。高熵合金一般由五種及以上摩爾數(shù)相近的元素組成,且每種元素的原子含量均在5%～35%之間。高熵合金混合熵較高,研究表明,較高的混合熵可以促進(jìn)無序固溶體相的形成[2],抑制金屬間化合物、中間相及偏析的出現(xiàn)。高熵合金的無序固溶體相通常表現(xiàn)為簡單結(jié)構(gòu),即雖然高熵合金的主元元素有四到五種及以上,但它們在凝固后往往形成相對簡單的相結(jié)構(gòu),如面心立方(Face-centered Cubic,FCC)、體心立方(Body-centered Cubic,BCC)或密排六方(Hexagonal Close Picked,HCP)結(jié)構(gòu)。由于飽和固溶體的存在,高熵合金存在有顯著的固溶強(qiáng)化作用。此外,高熵合金獨(dú)特的四大效應(yīng)也是其表現(xiàn)出卓越性能的關(guān)鍵,即高熵效應(yīng)(不同的化學(xué)成分形成了具有最大無序度的獨(dú)特高熵原子結(jié)構(gòu))、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)(成分均勻)、晶格畸變效應(yīng)(強(qiáng)化的關(guān)鍵)、雞尾酒效應(yīng)(元素成分可調(diào)控)[2]。Hsu等[3]通過繪制AlCoCrxFeMo0.5Ni合金體系相圖,指出從室溫到1273K的該類高熵合金的熱硬度均高于鎳基高溫合金,多主元效應(yīng)的存在使得高熵合金在高溫領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。Senkov等[4]通過添加難熔金屬制備出耐火高熵合金NbCrMo0.5Ta0.5TiZr,發(fā)現(xiàn)該合金的力學(xué)性能和抗氧化性能優(yōu)于已經(jīng)商業(yè)化的Nb合金和較早報(bào)道的Nb-Si-Al-Ti和 Nb-Si-Mo合金。Gludovatz等[5]研究了五元高熵合金CoCrFeMnNi,提出該合金具有優(yōu)異的損傷容限,抗拉強(qiáng)度超過1GPa,斷裂韌性超過200MPa·m1/2,該合金的韌性水平可與最好的深冷鋼相媲美,由于FCC單相的存在,這種高熵合金的韌性幾乎超過了所有純金屬和金屬合金。此外,還有具有優(yōu)異生物相容性和超高耐蝕性的CaMgZnSrYb高熵合金[6]。Senkov等[7]制備的難熔高熵合金WMoTaNbV具有比鎳基高溫合金更高的高溫比強(qiáng)度,報(bào)道顯示該系列高熵合金在1500℃以上屈服強(qiáng)度仍保持恒定。因此,通過成分設(shè)計(jì)與調(diào)控,可使得高熵合金在強(qiáng)韌性、磁學(xué)、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能上表現(xiàn)良好。目前,研究者制備高熵合金的常用方法有熔鑄法、粉末冶金法、電化學(xué)沉積法等。熔鑄法應(yīng)用范圍較廣,常用來制備塊體類高熵合金。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,Yeh等[8]首次利用真空電弧工藝實(shí)現(xiàn)了AlCu-CrFeNi高熵合金的制備。但是,熔鑄法制備的高熵合金成分偏析嚴(yán)重且晶粒粗大,電弧熔煉法制備出高熵合金試樣的形狀尺寸有很大的限制。因此,后續(xù)的研究者考慮采用粉末冶金法來制備高熵合金,粉末冶金制備的高熵合金成分偏析小、枝晶少,可以更好地發(fā)揮高熵合金的性能優(yōu)勢。燒結(jié)過程不需要很高的溫度,材料利用率有所提升[9],但制備的精密零件尺寸精度不高,無法充分發(fā)揮材料的性能特性,且制備出的樣品致密度較低并且有大量的孔隙、裂紋等[10]。憑借高熵合金成分設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢,高熵合金適用于有特殊性能要求的零件及異形結(jié)構(gòu)件的定制化生產(chǎn)。因此,目前急需一項(xiàng)新型制造技術(shù)來開發(fā)高熵合金在機(jī)械零件制造業(yè)中的應(yīng)用,進(jìn)而充分挖掘高熵合金作為新型材料的應(yīng)用潛力。

選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術(shù)是在快速原型制造基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是一種利用 “離散+堆積”的成形理念以及三維模型進(jìn)行三維實(shí)體柔性制造一體化的先進(jìn)現(xiàn)代制造技術(shù)。在計(jì)算機(jī)的精確控制下,高能激光束對設(shè)備鋪設(shè)出的金屬粉末進(jìn)行選擇性熔化和固結(jié),得到的熔凝組織逐層堆積成設(shè)計(jì)師所需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)組件[11]。與傳統(tǒng)制造工藝相比,選區(qū)激光熔化技術(shù)具有無需模具快速成型、降低企業(yè)開發(fā)成本、加工精度高、致密度高、可成形設(shè)計(jì)師所需要的任意形狀復(fù)雜零件等一系列優(yōu)勢。就拿手機(jī)、航空儀表等設(shè)備中必需的精密零件 “陀螺”來說,其作為一種慣性器件,結(jié)構(gòu)中包含大量薄壁、框架、復(fù)雜異形結(jié)構(gòu),加工流程十分復(fù)雜,加工精度難以保證。在裝配過程中存在大量精密的形位關(guān)系要求,如果選用傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn),從設(shè)計(jì)到研發(fā)成功所需的時間和試錯成本巨大[12]。而選區(qū)激光熔化技術(shù)作為一種低成本、快速、高效、數(shù)字化的先進(jìn)制造技術(shù),極有可能解決慣性器件異形、薄壁等結(jié)構(gòu)零件制造難題,彌補(bǔ)特種金屬材料零件粉末冶金的不足之處,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特種精密結(jié)構(gòu)體 “結(jié)構(gòu)+功能”嵌入式制造[13],該技術(shù)也由此在軍事設(shè)備制造、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等諸多高精尖領(lǐng)域得到廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。雖然目前利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的高熵合金的組織性能以及應(yīng)用的研究才剛剛起步,但該技術(shù)可以制備出超細(xì)晶,近乎全致密的高熵合金,其應(yīng)用前景十分廣闊。因此,將選區(qū)激光熔化技術(shù)用于高熵合金零件的成形制造可謂是 “強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”,采用選區(qū)激光熔化技術(shù)選區(qū)激光熔化制備高熵合金的研究自2018年開始成為當(dāng)前熱門的研究方向,中南大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、南洋理工大學(xué)、倫敦帝國理工學(xué)院等都在積極進(jìn)行這方面的研究。

本文主要介紹了選區(qū)激光熔化技術(shù)近年來在高熵合金制備方面的研究成果,分析其實(shí)驗(yàn)中元素的選擇和參數(shù)的設(shè)計(jì)思路,評述其試樣組織特征和性能提升的研究進(jìn)展情況,指出當(dāng)前研究的重難點(diǎn)所在。在此基礎(chǔ)上,對未來選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的高熵合金的研究、應(yīng)用及發(fā)展前景做出了展望。

1 選區(qū)激光熔化制備高熵合金粉末及成分選擇問題

選區(qū)激光熔化制備高熵合金所需的原料即粒度在5μm～50μm之間的球化度較好的高熵合金粉末,由于目前的選區(qū)激光熔化技術(shù)對于粉末的要求較高,一般方法如機(jī)械合金化所制備出的粉末球形度差且粉末易受污染,因此當(dāng)前利用選區(qū)激光熔化制備高熵合金進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)所用粉末大多數(shù)都是通過霧化法制得。霧化法即利用快速運(yùn)動的流體沖擊液態(tài)金屬或者合金使其破碎為細(xì)小的液滴,再通過冷凝的手段使其成為固體粉末的一種方法[13]。并且氣霧化過程通過快速凝固能夠提高主元元素的固溶度,可以有效避免第二相的析出。如圖1(a)[14]所示,霧化法所制備的高熵合金粉末純度高、球形度好、成分均勻且雜質(zhì)含量低,非常適合應(yīng)用于選區(qū)激光熔化制備高質(zhì)量的高熵合金研究中。而且霧化法制備的高熵合金粉末粒度大多分布在5mm～45mm之間,如圖1(b)所示[14],符合選區(qū)激光熔化技術(shù)的要求。

圖1 選區(qū)激光熔化制備中高熵合金粉末球形度及粒度基本要求Fig.1 Diagram of sphericity and particle size of HEA powder in SLM preparation

高熵合金作為一種新型的金屬合金,其優(yōu)異的性能表現(xiàn)得益于多種主要元素的共同作用。研究表明,高熵合金主元的選擇需要滿足三原則:1)五種及以上主要元素；2)最大原子半徑差小于12%；3)合金混合熵介于-40KJ/mol～10KJ/mol[15]之間。但對于高熵合金固溶體相結(jié)構(gòu)來說,一方面,不同的元素選擇將會對其形成趨勢產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響；另一方面,由于傳統(tǒng)方法制備高熵合金的冷速低于1×103K/s,而選區(qū)激光熔化的冷速在1×105K/s左右,冷速的顯著提升將會影響高熵合金中沉淀相的類型和元素偏析程度。激光打印作用于高熵合金的研究很有吸引力,因?yàn)榧す獯蛴【哂锌焖俚拇慊鹚俾?可以大幅降低二次相形成的可能性,而這種情況通常發(fā)生在緩慢冷卻和相關(guān)的熱力學(xué)驅(qū)動力的作用下?？焖倮鋮s還可以限制微小的擴(kuò)散和各種不需要的金屬間化合物的形核,從而降低合金的脆性。

目前來說,利用選區(qū)激光熔化制備高熵合金的元素選擇還在摸索階段。在高熵合金主元元素的選擇上,在滿足高熵效應(yīng)(在大于或等于5個元素的接近等摩爾的情況下,增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)型熵可能會導(dǎo)致高熵合金優(yōu)先于形成固溶體相而不是金屬間化合物)要求的基礎(chǔ)上,截至目前,研究者經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明了在高熵合金中共可使用37個主元元素來得到大量的合金組合。數(shù)學(xué)計(jì)算可知,如果都采用5個主元來進(jìn)行組合,五元高熵合金的種類可達(dá)約43萬種之多。目前報(bào)道的五元高熵合金種類約400種,可見這其中還有巨大的研究空間[16]。目前來說,研究者利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的高熵合金體系中,常用的如Co、Fe、Al、Ni、Ti等主元元素各有自己獨(dú)特的作用。Co的加入對高熵合金體系的價(jià)電子濃度(VEC)貢獻(xiàn)較大,可以促進(jìn)面心立方相的形成,還可以提高高熵合金的塑性、抗壓強(qiáng)度以及防止偏析的出現(xiàn)[17]。Fe對面心立方高熵合金中晶粒形態(tài)由樹枝狀向等軸狀的轉(zhuǎn)變起著重要作用,可以改善合金塑性,降低晶格畸變。然而,增加Fe含量會降低面心立方高熵合金的硬度并誘導(dǎo)其產(chǎn)生鐵磁行為[18]。為了提升打印出的高熵合金的耐蝕性能,Al、Ni是目前研究者們常選用的高熵合金主元元素。由于Al的密度低,容易形成鈍化膜,所以Al的加入有助于提高高熵合金在鈍化環(huán)境下的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。相對應(yīng)地,高熵合金中Ni的加入量應(yīng)控制在臨界摩爾比(x=1)范圍內(nèi),通過保留面心立方相,在中性和堿性溶液中能表現(xiàn)出最高的耐蝕性。但當(dāng)Ni與Al的摩爾比大于1時,與Al結(jié)合形成富Al-Ni的B2金屬間化合物相,會使高熵合金的耐蝕性惡化[19]。Ti也可以顯著提升部分高熵合金的耐蝕性,但從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看,Ti具有 “很高的化學(xué)勢”,有可能形成金屬間化合物[19]。Fujieda等[20]利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的CoCrFeNiTi打印態(tài)和固溶處理后的試樣表現(xiàn)出比在惡劣腐蝕環(huán)境中使用的雙相不銹鋼和鎳基高溫合金等常規(guī)高耐蝕合金更高的抗拉強(qiáng)度和點(diǎn)蝕電位。截至目前,研究者們大多是采用試錯法來嘗試?yán)眠x區(qū)激光熔化技術(shù)制備已有的高熵合金體系,打印成功后再開始研究其組織及性能。因此,元素種類及含量對于選區(qū)激光熔化技術(shù)制備出的高熵合金組織及性能影響的機(jī)理研究尚不成系統(tǒng)化。研究者們大多想要通過微調(diào)經(jīng)典高熵合金的成分并搭配選區(qū)激光熔化技術(shù)超高冷速的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)合金樣品強(qiáng)韌性的同步提升,即以性能要求來構(gòu)想合金的組織結(jié)構(gòu),再以組織結(jié)構(gòu)來選擇符合要求的主元元素,以期能達(dá)到自己所需的性能要求。然后,以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行進(jìn)一步的成分設(shè)計(jì),以提升打印出的高熵合金性能。英國的Brif等[21]在2015年首次利用選區(qū)激光熔化技術(shù)打印出了CoCrFeNi高熵合金,指出以這四種金屬主元為基的高熵合金適合于選區(qū)激光熔化打印成形,成形效果較好,表面無明顯的裂紋、氣孔且元素均勻分布,無偏析,拉伸強(qiáng)度達(dá)745MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)600MPa,伸長率為32%,表現(xiàn)出比傳統(tǒng)制備出的CoCrFeNi高熵合金更優(yōu)異的塑韌性。在其之后,中南大學(xué)、北京科技大學(xué)、南洋理工大學(xué)、倫敦帝國理工學(xué)院等在此基礎(chǔ)上通過添加新的元素C、Mn、Al、Cu等對選區(qū)激光熔化制備高熵合金進(jìn)行了更深入的研究。如Li等[14]在對CoCrFeMnNi高熵合金進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)Mn相比其他四種元素不僅具有更大的原子尺寸,并且熱損失率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他元素。這就導(dǎo)致當(dāng)激光能量密度增加時,Mn的熱損失會顯著增大,使得晶格參數(shù)降低,同時引起偏析現(xiàn)象,從而影響成形試樣的質(zhì)量。中南大學(xué)的Zhou等[22]通過在CoCrFeNi高熵合金的基礎(chǔ)上提高C元素的含量,成功提升了該類高熵合金的力學(xué)性能和致密度。Zhou等[23]認(rèn)為Al的密度低,容易形成鈍化膜,Al的加入有助于提高鈍化環(huán)境下高熵合金的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性,于是利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備出了AlCoCrFeNi高熵合金,進(jìn)一步拓寬了選區(qū)激光熔化制備高熵合金的成分設(shè)計(jì)思路。北京科技大學(xué)的Zhang等[24]利用Cu替代價(jià)格較高的Cr元素,成功利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備出了雙相AlCoCuFeNi高熵合金。Sarswat等[16]不拘泥于傳統(tǒng)方法已證實(shí)的高熵合金體系,嘗試?yán)眠x區(qū)激光熔化技術(shù)探索新的完全適用于激光打印的新型難熔高熵合金體系,通過計(jì)算原子尺寸差δ,選取了低中溫和耐火高熵合金常用的元素Ti與V、適用于中溫高熵合金的Co和Ni以及作為復(fù)合形成元素的Al。Ni易鈍化,其鈍化來源于晶格缺陷,可以限制金屬或電子相互作用以進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。使用Sm來改變高熵合金的晶格常數(shù),以提高耐腐蝕性、提升強(qiáng)度、增強(qiáng)高溫穩(wěn)定性、促進(jìn)穩(wěn)定的氧化物的形成(熔點(diǎn)為2345℃)以及增強(qiáng)合金的紅外光吸收能力。結(jié)合第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn),最終成功制得AlCoFeNiV0.9Sm0.1、AlCoFeNiSm0.1TiV0.9、AlCoFeNiSm0.05TiV0.95Zr等一系列具有優(yōu)異機(jī)械性能和耐蝕性能的新型難熔高熵合金。

2 選區(qū)激光熔化制備的高熵合金分類

王曉鵬等[25]綜述了目前各類高熵材料,從高熵材料的設(shè)計(jì)理念出發(fā),通過總結(jié)不同高熵材料的結(jié)構(gòu)特征、組織性能及強(qiáng)化機(jī)制,將高熵材料劃分為六大類,即過渡元素高熵合金、難熔高熵合金、高熵高溫合金、共晶高熵合金、高熵非晶合金及高熵陶瓷。選區(qū)激光熔化制備高熵合金的研究時間尚短,目前選區(qū)激光熔化打印研究的高熵合金基本都是過渡元素高熵合金,而其他幾種高熵材料研究較少。高熵合金依據(jù)相結(jié)構(gòu)類型大致可被分為FCC型、BCC型、HCP型、非晶型及金屬間化合物型,FCC型高熵合金中最具代表性的即等原子比的CoCrFeNiMn合金；BCC型高熵合金的主元元素大多為第Ⅳ-Ⅵ族元素,該類元素熔點(diǎn)普遍較高,故部分BCC型高熵合金也被稱為難熔高熵合金[26]。2018年是選區(qū)激光熔化制備高熵合金研究爆發(fā)的一年,大量關(guān)于制備高熵合金機(jī)理性的研究得到了材料界諸多學(xué)者的認(rèn)可,圖2為目前選區(qū)激光熔化制備的高熵合金力學(xué)性能研究匯總。為了更好地論述選區(qū)激光熔化制備高熵合金的研究進(jìn)展,可以將目前選區(qū)激光熔化制備的高熵合金粗略分成兩大體系,一是CoCrFeNiMn體系,其次是AlCoCrFeNi體系。這兩個體系的區(qū)分點(diǎn)在于樣品的固溶體結(jié)構(gòu)的不同,CoCrFeNiMn體系的高熵合金一般為FCC結(jié)構(gòu),AlCoCrFeNi體系的高熵合金一般為BCC結(jié)構(gòu)。目前來說,選區(qū)激光熔化對難熔高熵合金的制備研究較少,尚不成體系化。但隨著航空航天領(lǐng)域一些特殊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件高溫、高強(qiáng)性能要求越來越高,選區(qū)激光熔化制備的難熔高熵合金以及高溫高熵合金的開發(fā)、研究及應(yīng)用將會是未來新的趨勢,本文將會在后文中進(jìn)行簡單的介紹。

圖2 選區(qū)激光熔化制備高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能匯總Fig.2 Summary of crystal structure and mechanical properties of high entropy alloy prepared by SLM

目前的研究結(jié)果表明,在選區(qū)激光熔化制備高熵合金所需的粉末中添加不同含量的Al元素會在一定程度上影響打印出的高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)類型,通常認(rèn)為產(chǎn)生這種情況的原因[25]為:如圖3所示[27],添加的金屬原子與其他原有原子產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用,尺寸較大的金屬原子還會產(chǎn)生合金化作用從而導(dǎo)致晶格畸變能和原子堆積結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,隨著原子半徑和不同元素間的交互作用變化,合金的晶體結(jié)構(gòu)就會發(fā)生顯著改變。此外,Guo等[28]對影響高熵合金固溶體相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的根本原因進(jìn)行了深入研究,想要得出元素添加的臨界量與晶體結(jié)構(gòu)變化的具體關(guān)系理論。在研究Al含量對AlxCrCuFeNi高熵合金相穩(wěn)定性的影響作用時發(fā)現(xiàn),價(jià)電子濃度(VEC)是影響FCC和BCC固溶體相穩(wěn)定性的根本物理參數(shù)。高熵合金在高VEC時,FCC相穩(wěn)定；在低 VEC時,BCC相穩(wěn)定。Chen等[29]認(rèn)為低VEC值還會抑制低高熵合金中原子密度結(jié)構(gòu)相的形成。

圖3 合金中元素間交互作用參數(shù)、原子尺寸差與合金晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the interaction parameter,atomic size difference and the alloy crystal structure

2.1 選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiMn體系高熵合金研究進(jìn)展

2018年2月,中南大學(xué)的Li等[14]首次系統(tǒng)研究了選區(qū)激光熔化五元等摩爾體系的 CoCrFeNiMn高熵合金,并對其非平衡凝固的顯微組織、物相組成、力學(xué)性能等進(jìn)行了討論,也為后續(xù)這一體系的研究者提供了現(xiàn)實(shí)可行的方向。其研究表明,相較于傳統(tǒng)方法,選區(qū)激光熔化制備后的高熵合金試樣組織中除FCC相外還多了σ析出相和納米孿晶,對性能的提升起到了作用,打印出的試樣的晶粒外延生長為柱狀晶,并且等靜壓處理也不會改變這種反映在表面的紋理結(jié)構(gòu)。如圖4所示[14],高熵合金中有大量的位錯堆積和晶格畸變,從金屬學(xué)上可以推測這是造成該合金性能優(yōu)異的原因之一,并發(fā)現(xiàn)Mn元素會造成一定的偏析現(xiàn)象,激光能量密度對該高熵合金成形質(zhì)量的影響規(guī)律為開口向下拋物線式。

圖4 選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeMnNi高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of CoCrFeMnNi high entropy alloy prepared by SLM

2018年,Zhu等[30]利用選區(qū)激光熔化成功制備出微觀組織為分層結(jié)構(gòu)的CoCrFeNiMn高熵合金,包括熔池、柱狀晶粒、亞微米孔結(jié)構(gòu)和位錯,在制備出的樣品中實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和出色的延展性。他們認(rèn)為晶胞內(nèi)存在顯著的位錯捕獲和保留機(jī)制,導(dǎo)致晶胞內(nèi)位錯密度明顯增加,位錯亞結(jié)構(gòu)構(gòu)成的平面滑移帶實(shí)質(zhì)上與胞狀結(jié)構(gòu)相互作用,形成三維位錯網(wǎng)絡(luò),并由此得出:分層位錯活動將會控制高熵合金的變形過程,高熵合金主要的強(qiáng)化機(jī)制與復(fù)雜的位錯活動控制的穩(wěn)定應(yīng)變硬化有關(guān)。2019年7月,該團(tuán)隊(duì)[31]又發(fā)文表示已利用固溶強(qiáng)化成功實(shí)現(xiàn)了對選區(qū)激光熔化制備出的Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5高熵合金微觀結(jié)構(gòu)的層次化設(shè)計(jì),打印出的高熵合金表現(xiàn)出層次化的非均勻微結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)工藝制備的該類高熵合金相比,獲得了更強(qiáng)的強(qiáng)度-塑性組合。高屈服強(qiáng)度主要來源于位錯強(qiáng)化,在位錯滑移、形變孿生和相變等多種變形機(jī)制的聯(lián)合控制下,選區(qū)激光熔化制備的高熵合金可以在高應(yīng)力水平下保持穩(wěn)定的加工硬化行為,從而獲得較高的塑性,這為高熵合金強(qiáng)化機(jī)理的研究提供了新的思路。Gao等[32]詳細(xì)研究了選區(qū)激光熔化制備出的CoCrFeMnNi高熵合金的微觀組織構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在等軸晶到柱狀晶的過渡結(jié)構(gòu),并且有精細(xì)的BCC相分布在FCC基體的晶界處,因此使其選區(qū)激光熔化制備出的高熵合金屈服強(qiáng)度達(dá)448MPa、屈服極限達(dá)620MPa、斷面收縮率為57%,初步實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和出色的延展性,但強(qiáng)度仍然不如鑄態(tài)CoCrFeMnNi高熵合金。為了解決選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiMn體系高熵合金強(qiáng)度不如鑄造出的該體系高熵合金的問題,Wu等[33]嘗試提高選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNi高熵合金中的C的含量以達(dá)到強(qiáng)化的目的,發(fā)現(xiàn)了納米碳化物在柱狀亞晶粒邊界的析出引起了第二相強(qiáng)化,并且Wu等認(rèn)為C的加入可以降低高熵合金內(nèi)部的堆垛層錯能,增加晶格間的摩擦力,從而大幅提高了此類高熵合金的屈服強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度最高可達(dá)638MPa,屈服極限可達(dá)795MPa,但也會因?yàn)樘蓟锍叽邕^大的緣故犧牲了合金的塑韌性。此外,韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的研究者[34]也制備了附加1% C的CoCrFeNiMn高熵合金,優(yōu)化了含C的CoCrFeNiMn高熵合金的打印參數(shù)設(shè)定方案。在Wu的思路下,Zhou等[22]專門研究了選區(qū)激光熔化制備的FeCoCrNiC0.05高熵合金在退火(1073K,0.5h)后的沉淀行為,發(fā)現(xiàn)納米尺寸的Cr23C6碳化物會在退火條件下有析出行為,析出物主要分布在晶粒或晶胞結(jié)構(gòu)的邊界上,最高屈服強(qiáng)度達(dá)787MPa,伸長率為10.3%,在Wu的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了此類高熵合金強(qiáng)塑性的同步改善。

上述文獻(xiàn)報(bào)道均表明,Mn元素在選區(qū)激光熔化制備的高熵合金中會出現(xiàn)一定的偏析現(xiàn)象,日本東北大學(xué)的研究者考慮用性能表現(xiàn)較為優(yōu)異的Ti替代Mn元素來實(shí)現(xiàn)CoCrFeNiMn體系高熵合金性能的進(jìn)一步優(yōu)化。Fujieda等[20]使用選區(qū)激光熔化成功制備出CoCrFeNiTi高熵合金并研究了它的機(jī)械性能和腐蝕性能,元素偏析現(xiàn)象得到降低,顯著提升了此類高熵合金的強(qiáng)韌性。通過與電子束熔化(EBM)制備出的CoCrFeNiTi高熵合金相比較,選區(qū)激光熔化更高的冷速可以極大改善高熵合金微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微均勻性。如圖5所示[20],水淬(A.C.)可以使該類合金拉伸性能和耐點(diǎn)蝕性得到更大改善,固溶處理后該合金內(nèi)部有有序納米顆粒相析出。研究發(fā)現(xiàn),固溶處理后的樣品屈服強(qiáng)度與有序顆粒的半徑和體積分?jǐn)?shù)乘積的平方根成正比,點(diǎn)蝕電位與有序顆粒的半徑和體積分?jǐn)?shù)的乘積成反比。除了替換元素外,Li等[35]嘗試將納米級TiN顆粒加入到選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiMn高熵合金基體中,即12%的TiN和88%的CoCrFeNiMn粉末均勻混合后進(jìn)行打印,并在打印成功后對其性能進(jìn)行了全面測試,細(xì)晶強(qiáng)化結(jié)合納米TiN顆粒所產(chǎn)生的精細(xì)復(fù)合結(jié)構(gòu)組織的額外增強(qiáng)使得打印后的TiN/高熵合金的平均室溫極限拉伸強(qiáng)度達(dá)到1100MPa,干摩擦系數(shù)降低到0.4以下,磨損現(xiàn)象明顯減輕,實(shí)現(xiàn)了高機(jī)械強(qiáng)度和良好抗滑動磨損性的結(jié)合,為高熵合金的強(qiáng)化研究提供了新的思路。

圖5 選區(qū)激光熔化打印件與固溶處理后的選區(qū)激光熔化及EBM試樣的強(qiáng)度及抗點(diǎn)蝕能力對比Fig.5 Comparison of strength and pitting resistance between as-built SLM specimen,solution-treated SLM and EBM specimens

2.2 選區(qū)激光熔化制備的AlCoCrFeNi體系高熵合金研究進(jìn)展

2018年8月,Luo等[36]在Li思路的啟發(fā)下成功利用選區(qū)激光熔化完成了近等原子摩爾比的Al-CrCuFeNi高熵合金的制備,并詳細(xì)分析了該高熵合金的可加工性、非平衡顯微組織及機(jī)械性能。所得到的高熵合金試樣結(jié)構(gòu)相為含有B2的簡單BCC固溶體,與先前選區(qū)激光熔化制備的相結(jié)構(gòu)為FCC的高熵合金區(qū)分開來,并且在熔池中發(fā)現(xiàn)了由極細(xì)的亞晶粒組成的獨(dú)特的細(xì)圓柱狀晶粒,呈＜100＞優(yōu)先取向。此外,還有成顆粒狀納米級的Cu富集相存在,超細(xì)晶粒以及納米相的存在使該樣品的壓縮性能表現(xiàn)優(yōu)異,壓縮強(qiáng)度達(dá)2052MPa。由于Luo并未給出AlCrCuFeNi高熵合金相應(yīng)的拉伸及屈服強(qiáng)度,表明該合金的強(qiáng)度并未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。于是,Zhou等[23]嘗試將Cu換回Co,同時降低Al元素的含量以達(dá)到提升高熵合金強(qiáng)韌性的目的。在制備Al0.5FeCoCrNi高熵合金時發(fā)現(xiàn)選區(qū)激光熔化過程中發(fā)生了相變,預(yù)合金粉末本是雙相結(jié)構(gòu),但選區(qū)激光熔化打印后之中的BCC相轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC相,且經(jīng)選區(qū)激光熔化處理的Al0.5Fe-CoCrNi高熵合金具有很高的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度,分別為579MPa和721MPa,伸長率則達(dá)到22%。性能提升除了改變主元元素種類及含量外,北京科技大學(xué)的Zhang等[24]考慮引入熱處理來達(dá)到提升AlCoCuFeNi高熵合金的性能,由于選區(qū)激光熔化期間的快速凝固和高熵合金特有的遲滯擴(kuò)散效應(yīng),獲得的高熵合金試樣由簡單固溶體結(jié)構(gòu)組成,其化學(xué)成分分布均勻。而在熱處理(900℃和1000℃)后亞穩(wěn)BCC(B2)基體中有富Cu的FCC相析出,使合金形成雙相結(jié)構(gòu)(BCC+FCC),其相結(jié)構(gòu)的TEM如圖6所示[24]。在1000℃下,熱處理的樣品表現(xiàn)出更好的壓縮斷裂強(qiáng)度(1600MPa),而屈服強(qiáng)度為744MPa,塑性應(yīng)變?yōu)?3.1%。他們把選區(qū)激光熔化制備的高熵合金機(jī)械性能的提高主要?dú)w因于BCC相(B2)和FCC相的有效結(jié)合,這為高熵合金的性能研究提供了思路,即尋找合適的熱處理手段及溫度,從而實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下合金的強(qiáng)度-塑韌性的協(xié)同提升。同樣地,瑞典Uppsala大學(xué)[37]也研究了AlCoCrFeNi高熵合金,其主要分析了選區(qū)激光熔化打印出的高熵合金樣品的微觀組織和元素偏析行為,發(fā)現(xiàn)除BCC結(jié)構(gòu)外還存在類似樹突狀的亞結(jié)構(gòu),并且這些類似樹突的特征在納米尺度上表現(xiàn)出明顯的化學(xué)波動,退火處理后會有更明顯的化學(xué)波動以及富Cr區(qū)域的形成,但并未對化學(xué)波動產(chǎn)生的原因進(jìn)行細(xì)致分析,這與Ding等[38]通過對比CoCrFeNiMn和 CoCrFeNiPd高熵合金發(fā)現(xiàn)的濃度波現(xiàn)象基本相似。Ding等認(rèn)為通過控制高熵合金中的元素濃度波動,可以達(dá)到有效改善高熵合金的綜合力學(xué)性能的目的。Yao等[39]嘗試?yán)眠x區(qū)激光熔化制備出具有分層結(jié)構(gòu)的且基體為BCC相的高熵合金,通過用V代替Co元素,成功制備出含有柱狀晶粒、亞晶粒、納米相和位錯等多種微觀結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiV高熵合金。溫度梯度導(dǎo)致柱狀晶粒的生長,選區(qū)激光熔化過程中的高冷速和非平衡凝固導(dǎo)致在每個柱狀晶粒中都有亞晶粒的形成,空位濃度的增加和大的熱殘余應(yīng)力加大了位錯的形成,過飽和的FCC相在BCC基體相中的沉淀、嚴(yán)重的晶格畸變以及殘余應(yīng)力為形成納米相提供了驅(qū)動力,他們提出在選區(qū)激光熔化制備出的高熵合金中可以通過異質(zhì)分布的位錯和納米相調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)高熵合金漸進(jìn)應(yīng)變硬化的機(jī)制,通過選區(qū)激光熔化制備出的AlCrFeNiV高熵合金具有高強(qiáng)度(最終抗拉強(qiáng)度為1057MPa)和出色的延展性(塑性應(yīng)變?yōu)?0%),獨(dú)特的分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于強(qiáng)度增加而又不降低延展性。Yao等詳細(xì)解讀了每類顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因,為后續(xù)研究者認(rèn)清高熵合金的強(qiáng)化機(jī)理提供了思路。

圖6 選區(qū)激光熔化制備的AlCoCuFeNi高熵合金在900℃和1000℃熱處理后所顯示出的簡單相結(jié)構(gòu)Fig.6 Simple phase structure of AlCoCuFeNi high entropy alloy prepared by SLM after heat treatment at 900℃ and 1000℃

2.3 選區(qū)激光熔化制備的難熔高熵合金研究進(jìn)展

美國猶他州立大學(xué)[16]率先開啟了選區(qū)激光熔化制備難熔高熵合金成分及性能的研究,基于對400多種不同高熵合金的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及第一性原理計(jì)算,依據(jù)混合元素的高熵效應(yīng)探索了過渡金屬和鋁的鑭系元素以及稀土元素和難熔元素類的新型高熵合金并使用選區(qū)激光熔化成功制造出了幾種新型的AlCoFeNiSmTiVZr高熵合金,這些合金大多數(shù)是單相FCC結(jié)構(gòu),并且這些合金表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械和耐腐蝕性能,為難熔高熵合金的開發(fā)做出了貢獻(xiàn)。此外,西安交通大學(xué)的Zhang等[40]為獲得性能優(yōu)越的耐火材料,嘗試?yán)眠x區(qū)激光熔化制備傳統(tǒng)鑄造方法難以制備出的具有高耐火性能的NbMoTaW高熵合金并取得了成功。雖然結(jié)果顯示由于這些金屬的熔點(diǎn)、密度、粒度和能量吸收率差別較大,導(dǎo)致選區(qū)激光熔化過程中粉末和打印的試樣中存在成分偏差現(xiàn)象,但不可否認(rèn)其仍把各主元的原子含量控制到了5%～35%范圍以內(nèi),且并未影響到相和微觀結(jié)構(gòu)的組成。反而通過選區(qū)激光熔化制備,極快的冷速使得高熵合金試樣的晶粒表現(xiàn)得極為細(xì)小,最大為13.40μm和最小為6.59μm的尺寸都遠(yuǎn)小于鑄態(tài)樣品中觀察到的晶粒尺寸,從而大大提升了樣品的強(qiáng)硬度以及耐腐蝕能力,體現(xiàn)了選區(qū)激光熔化制備此類合金的優(yōu)越性。

3 選區(qū)激光熔化制備高熵合金的后處理研究

選區(qū)激光熔化成型高熵合金后,過高的冷速使得樣品中必然會存在較大的殘余應(yīng)力,可能會引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展。同時,層與層之間的堆疊如果不夠緊密,會使得樣品的致密度較差。因此,選區(qū)激光熔化制備出的樣品一般要采取后處理的方式來進(jìn)一步改善其成型質(zhì)量,目前應(yīng)用較廣的兩種方法是熱等靜壓和熱處理,可以大大提升樣品的致密度和消除殘余應(yīng)力。中南大學(xué)的Li等[14]在研究CoCrFeMnNi時首次采用熱等靜壓的后處理方法成功減少了預(yù)制樣品表面氣孔微裂紋這樣的冶金缺陷,如圖7所示[41],降低了樣品內(nèi)部的殘余應(yīng)力且使樣品的致密度提升至99.1%,但相應(yīng)也增大了晶粒的尺寸。

圖7 光鏡和掃描電鏡下熱等靜壓前后選區(qū)激光熔化制備的高熵合金樣品表面形貌變化Fig.7 Surface morphology changes of high entropy alloy samples prepared by SLM before and after hot isostatic pressing under OM and SEM

此外,南洋理工大學(xué)的Zhu等[30]采用了990℃保溫1h然后退火的方式對選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiMn高熵合金進(jìn)行了后處理,獲得了近乎全致密的試樣,在強(qiáng)度基本未降低的基礎(chǔ)上顯著改善了樣品的塑韌性,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與優(yōu)異延展性的完美結(jié)合,如圖8所示[30]。中南大學(xué)的Wu等[33]在對選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiC高熵合金進(jìn)行后處理時選擇了400℃退火3h,使C充分固溶到CoCrFeNi高熵合金基體中,造成了間隙原子的固溶強(qiáng)化。此外,日本東北大學(xué)[20]在對選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiTi高熵合金進(jìn)行研究時專門比較了空冷和水冷兩種不同淬火方式對高熵合金的影響作用,發(fā)現(xiàn)水冷會使樣品的拉伸性能和抗點(diǎn)蝕能力得到更大改善。北京科技大學(xué)的Zhang等[24]采用了900℃和1000℃的退火方式對選區(qū)激光熔化制備出的AlCo-CuFeNi高熵合金進(jìn)行處理,使選區(qū)激光熔化得到的高熵合金樣品獲得了雙相結(jié)構(gòu)。退火處理會降低試樣的顯微硬度和壓縮屈服強(qiáng)度,但大幅提升了塑韌性,其得到的1000℃熱處理試樣的壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)1600MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)744MPa,應(yīng)變?yōu)?3.1%。力學(xué)性能的改善主要?dú)w功于熱處理后BCC(B2)相和FCC相的有效結(jié)合。

圖8 990℃退火前后選區(qū)激光熔化制備的CoCrFeNiMn高熵合金試樣的強(qiáng)塑性對比Fig.8 Engineering stress-strain curves of CoCrFeNiMn high entropy alloy samples with different conditions prepared by SLM before and after annealing at 990℃

除了等靜壓和熱處理這兩種常見的后處理方式外,大連交通大學(xué)的Guo等[42]通過常用的機(jī)械、熱和電化學(xué)加工等工藝專門進(jìn)行了選區(qū)激光熔化制備的高熵合金的后處理研究,他們從表面形貌、粗糙度、顯微硬度、殘余應(yīng)力和表面質(zhì)量等方面對不同加工過程產(chǎn)生的高熵合金試樣表面和表面質(zhì)量進(jìn)行了定量評估。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,銑削和磨削可以使表面光滑,提高表面顯微硬度,但會產(chǎn)生工具痕跡和殘余應(yīng)力；電火花線切割加工可以看作是一個熱處理過程,可以使選區(qū)激光熔化制備的高熵合金試樣表面變平,但會產(chǎn)生熱熔層導(dǎo)致殘余拉伸應(yīng)力和表面顯微硬度的增加；電火花拋光可以釋放殘余應(yīng)力,并獲得沒有亞表面損傷的超光滑表面,然而僅通過電火花拋光,不能從非常粗糙的初始條件獲得微米級的表面粗糙度。因此,采用機(jī)械和電氣相結(jié)合的后處理工藝,可以使選區(qū)激光熔化制備出的高熵合金試樣獲得良好的表面質(zhì)量。

4 未來研究及應(yīng)用前景

高熵合金材料是一個全新的合金領(lǐng)域,它掙脫了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念的束縛,可以讓材料工作者盡情挖掘其性能潛力,通過調(diào)整其成分、改善其制備工藝,甚至可以突破其超低溫強(qiáng)韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照等性能的極限,因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景[43]。Gludovatz等[5]指出CoCrFeMnNi高熵合金在超低溫下依靠納米晶強(qiáng)化機(jī)制可以維持1GPa左右的高強(qiáng)度,同時該合金的韌性水平可與最好的低溫鋼相媲美。可以預(yù)期高熵合金未來可能在深?；蚱渌鼧O冷條件下具有極大的應(yīng)用潛力,如用于深潛潛艇、低溫儲存罐體等在超低溫環(huán)境下服役的設(shè)備結(jié)構(gòu)件及零件的制造中,大大提升了重大戰(zhàn)略設(shè)備在極端環(huán)境下的服役壽命。高熵合金的一大優(yōu)勢就是主元元素的可定制性,突破了傳統(tǒng)合金的主元元素選擇及設(shè)計(jì)的限制。Kao等[44]利用 “雞尾酒效應(yīng)”設(shè)計(jì)了用于吸放氫的CoFeMnTixVyZrz高熵合金時發(fā)現(xiàn),在不改變晶體結(jié)構(gòu)的前提下,通過大幅度改變Ti、V、Zr含量,可以顯著改善合金的儲氫性能。有研究表明,高熵合金的最大儲氫能力可達(dá)1.81wt%[45],展現(xiàn)了高熵合金作為未來儲氫新材料的發(fā)展?jié)摿?。在核反?yīng)堆中高能粒子的輻照會對設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的輻照損傷,因此殼體防護(hù)新材料也亟待開發(fā)。Egami等[46]指出高熵合金中較大原子能級應(yīng)力可以促進(jìn)高熵合金在粒子輻照下的非晶化,通過對Zr-Hf-Nb合金實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后推測原子級體積應(yīng)變接近0.1的高熵合金具有自愈性和極高的抗輻照性,將會是未來新型核材料的優(yōu)秀候選材料。開發(fā)出具有優(yōu)越高溫性能以及耐腐蝕性能的合金也一直是材料工作者永不止步的目標(biāo)之一。Ni基高溫合金憑借其在650℃～1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度與一定的抗氧化腐蝕能力,常被用于制造航空發(fā)動機(jī)葉片和火箭發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件,但如果設(shè)備或零件服役溫度超過1300℃,其性能就會急劇惡化。熱機(jī)的發(fā)展要求進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)部件材料的高溫性能,因此未來開發(fā)在極端環(huán)境下具有更優(yōu)異高溫及耐腐蝕性能的合金材料是非常有必要的。憑借多組元及簡單相結(jié)構(gòu)的定制化優(yōu)勢,高熵合金無疑將會是最具競爭力的未來高溫材料之一。與傳統(tǒng)的高溫合金相比,高熵合金的緩擴(kuò)散效應(yīng)會增大材料在高溫下的蠕變阻力,從而保證高熵合金具有良好的熱穩(wěn)定性,大幅提升了材料的耐高溫性能。如Senkov等[47]設(shè)計(jì)了一種由高溫體心立方(BCC)相分解產(chǎn)生的兩相納米級析出物組成的AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金,報(bào)道顯示該合金具有極高的屈服強(qiáng)度,在20℃～1200℃的溫度范圍內(nèi),其強(qiáng)度顯著優(yōu)于部分Ni基高溫合金。

選區(qū)激光熔化作為當(dāng)前增材制造金屬構(gòu)件領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一,以其無需模具即可進(jìn)行全致密精密零件制造的能力和激光的超快速冷卻凝固能力備受制造業(yè)領(lǐng)域的期待,利用選區(qū)激光熔化制備高熵合金無疑有很大的研究及應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。但?選區(qū)激光熔化制備高熵合金的研究才剛剛起步,仍有許多問題亟待解決。首先,選區(qū)激光熔化中獨(dú)特的快速熱冷循環(huán)會導(dǎo)致高熵合金打印件中出現(xiàn)非平衡組織,而尚未有人提出有關(guān)這個過程中的組織演化理論、性能變化規(guī)律以及成分的調(diào)整對高熵合金結(jié)構(gòu)相和性能的影響規(guī)律,因此需要研究選區(qū)激光熔化制備高熵合金過程中打印參數(shù)、成分、組織、性能之間的對應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對成形件成分、組織、性能的精確調(diào)控,為選區(qū)激光熔化制備的高性能高熵合金的未來實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[41]。其次,選區(qū)激光熔化在制備高熵合金過程中仍存在許多問題,如殘余應(yīng)力過大、熱裂紋的存在以及打印過程中的相轉(zhuǎn)變問題,并且打印失敗的幾率較大,成功率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的制備。而且,目前選區(qū)激光熔化制備的高熵合金仍需要進(jìn)行后處理,熱處理作為目前最有效的后處理方式卻沒有十分準(zhǔn)確的溫度選擇范圍,主要還是依據(jù)成分推測進(jìn)行,無法徹底開發(fā)出高熵合金最優(yōu)的性能潛力[11]。最后,目前選區(qū)激光熔化制備的高熵合金其研究重心仍主要是過渡元素高熵合金,而關(guān)于難熔高熵合金、高溫高熵合金等高熵材料的選區(qū)激光熔化打印研究較少,因?yàn)樘囟ǖ臐M足打印要求的粉末制備起來所需的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本過高[10]。但難熔及高溫高熵合金應(yīng)用潛力巨大,適用于高精尖結(jié)構(gòu)件的制備加工。如果未來能夠克服選區(qū)激光熔化制備精密零件的精度問題,憑借其高度自由化定制零件的優(yōu)勢,結(jié)合高熵合金性能上的獨(dú)特優(yōu)勢,諸如精密陀螺等精密零件及發(fā)動機(jī)的渦輪葉片(如圖9所示[23])等異形結(jié)構(gòu)件[23]的成型精度將會得到進(jìn)一步提升,制造成本也將會大幅下降。同時,可以最大化的挖掘與展現(xiàn)出上述高熵合金的性能優(yōu)勢,利用新興制造技術(shù)達(dá)到充分釋放材料性能的目的。選區(qū)激光熔化制備的高熵合金未來在核反應(yīng)堆材料、燃油發(fā)動機(jī)材料、軍工領(lǐng)域中的高速動能武器彈芯材料以及海洋乃至航空領(lǐng)域重要設(shè)備的防護(hù)材料的研究、應(yīng)用前景十分廣闊。因此,通過選區(qū)激光熔化制備高熵合金的研究不僅具有前沿學(xué)術(shù)價(jià)值,而且對我國精密零件制造業(yè)未來的發(fā)展具有不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義。

圖9 選區(qū)激光熔化制備出的小型高熵合金渦輪葉片F(xiàn)ig.9 Small high entropy alloy turbine blades fabricated by SLM

5 結(jié)論

通過總結(jié)近些年來國內(nèi)外利用選區(qū)激光熔化制備高熵合金的研究內(nèi)容,重點(diǎn)闡述了各大研究機(jī)構(gòu)利用選區(qū)激光熔化制備的高熵合金的類型、成分設(shè)計(jì)的理由、后處理的手段、相結(jié)構(gòu)組成、微觀組織的演化表現(xiàn)以及力學(xué)性能的表現(xiàn)。但現(xiàn)在需要解決的難題是,如何設(shè)計(jì)出特定性能的高熵合金和如何制備出較大尺寸或有特定結(jié)構(gòu)要求的高強(qiáng)韌高熵合金。選區(qū)激光熔化作為增材制造領(lǐng)域的核心及得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一,可以制備出具有超細(xì)晶組織的高熵合金精密零件,新型制造技術(shù)與新型合金的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,也許未來將會顛覆新型合金制備高端精密結(jié)構(gòu)零件的生產(chǎn)模式,從而推動高端制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)變革。