西安交通大學(xué)李滌塵教授團(tuán)隊(duì)：通過(guò)激光熔覆沉積制備N(xiāo)i-NbMoTa高熵合金復(fù)合材料的周期性多層功能梯度結(jié)構(gòu) | AMF論文推薦

引用論文

Hang Zhang, Xiaoyu Sun, Yaoyao He, Yizhen Zhao, Zihao Chen, Xin Guo, Qingyu Li, Shaokun Ji, Dichen Li. Periodic Multilayer Functionally Graded Structure of Ni-NbMoTa High-Entropy Alloy Composition Materials via Laser Cladding Deposition. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 5, Issue 1, 2026, 200255.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200255.

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1研究背景及目的

難熔高熵合金（HEAs）因其優(yōu)異的高溫性能和力學(xué)性能，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊前景，但普遍存在脆性大、加工困難及裂紋易形成等問(wèn)題。功能梯度材料（FGMs）通過(guò)成分或組織的連續(xù)變化，可有效改善材料性能與結(jié)構(gòu)匹配，是解決上述問(wèn)題的重要途徑。基于此，本研究采用激光熔覆沉積（LCD）分層打印策略制備N(xiāo)i-NbMoTa功能梯度材料，旨在構(gòu)建三維梯度結(jié)構(gòu)，揭示顯微組織和相組成特征，并系統(tǒng)評(píng)價(jià)力學(xué)性能，從而闡明Ni在改善加工性、細(xì)化晶粒及提升強(qiáng)韌性中的作用。

2論文亮點(diǎn)

(1) 首次提出并驗(yàn)證了基于激光熔覆沉積（LCD）的分層打印策略，成功構(gòu)建Ni-NbMoTa功能梯度材料，實(shí)現(xiàn)了裂紋抑制與組織均勻化。

(2) 發(fā)現(xiàn)Ni的引入促進(jìn)了晶粒細(xì)化和BCC/FCC雙相固溶體形成，顯微硬度隨Ni含量增加而提升。

(3) 材料在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度1096 MPa、抗壓強(qiáng)度1445.4 MPa、壓縮應(yīng)變18.2%，顯著優(yōu)于單一NbMoTa合金。

圖1 梯度結(jié)構(gòu)打印方法圖

圖2 打印1層Ni，m層NbMoTa時(shí)截面形貌圖

圖3 成型樣件實(shí)物圖

3試驗(yàn)方法

本研究采用西安交通大學(xué)自主研發(fā)的DED-1000B激光熔覆沉積系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)配置光纖激光器（最大功率1000 W，波長(zhǎng)1064 nm，光斑直徑0.5 mm）和雙筒送粉器。沉積過(guò)程中，采用氬氣保護(hù)，氧含量控制在80 ppm以下，基體為尺寸為20 mm × 60 mm的Mo棒，并在沉積前預(yù)熱至800 ℃以減小熱應(yīng)力。Ni與NbMoTa合金粉末分別作為原料，粉末粒徑45–105 μm，其中Nb、Mo、Ta粉末按等原子比混合4 h制備N(xiāo)bMoTa粉末。沉積過(guò)程中采用分層打印策略，即在一個(gè)Ni層與m個(gè)NbMoTa層（m = 1–4）交替沉積，以獲得不同梯度結(jié)構(gòu)。所得樣品經(jīng)線切割取樣后，采用XRD、SEM、EBSD和TEM進(jìn)行相組成與組織表征，并利用顯微硬度儀和室溫壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

4結(jié)果

本研究采用激光熔覆沉積（LCD）分層打印策略，成功制備了Ni-NbMoTa功能梯度材料。顯微組織分析表明，梯度過(guò)渡區(qū)未出現(xiàn)宏觀或微觀裂紋，組織均勻穩(wěn)定，晶粒平均尺寸約20 μm，樹(shù)枝晶臂間距約3 μm，呈現(xiàn)明顯的晶粒細(xì)化特征。XRD結(jié)果顯示材料由體心立方（BCC）與面心立方（FCC）雙相固溶體組成，并在界面處形成錯(cuò)配位錯(cuò)，有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。性能測(cè)試結(jié)果表明，該材料的顯微硬度達(dá)到584.5 ± 39.3 HV，并隨Ni含量的增加而顯著提高。力學(xué)性能方面，室溫下屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變分別為1096 MPa、1445.4 MPa和18.2%，相比單一NbMoTa合金（976 MPa、1061.7 MPa、13.2%）在強(qiáng)度和塑性上均實(shí)現(xiàn)了明顯提升。結(jié)果表明，Ni的引入不僅改善了材料的成形性，還在組織調(diào)控與性能提升方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為高性能功能梯度高熵合金的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了有力支持。

圖4 相圖計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)的形貌圖：(a) NbMoTa; (b) Ni-NbMoTa

圖5 Ni-NbMoTa 高熵合金功能梯度材料的組織結(jié)構(gòu)：（a）Ni-NbMoTa 高熵合金功能梯度材料梯度結(jié)合區(qū)的 EDS 圖像；（b）BCC 和 FCC 相的明場(chǎng) TEM 微觀圖像；（c）BCC 和 FCC 相界面處的選區(qū)電子衍射（SAED）圖樣

圖6 Ni-NbMoTa和NbMoTa的抗壓強(qiáng)度圖

5結(jié)論

本研究通過(guò)激光熔覆沉積（LCD）分層打印策略，成功制備了Ni-NbMoTa功能梯度材料。結(jié)果表明，Ni的引入有效抑制了裂紋與孔隙的形成，使梯度過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)致密，組織均勻穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出晶粒細(xì)化效應(yīng)（平均晶粒尺寸約20 μm，樹(shù)枝晶臂間距約3 μm）。材料形成了穩(wěn)定的BCC+FCC雙相固溶體，界面錯(cuò)配位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用。性能測(cè)試顯示，顯微硬度最高達(dá)到584.5 ± 39.3 HV；室溫下屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變分別為1096 MPa、1445.4 MPa和18.2%，較NbMoTa合金有顯著提升。研究表明，Ni在改善可制造性、促進(jìn)組織優(yōu)化和提升綜合力學(xué)性能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為高性能功能梯度高熵合金的設(shè)計(jì)與航空航天應(yīng)用提供了新思路。

6前景與應(yīng)用

本研究制備的Ni-NbMoTa功能梯度材料兼具高強(qiáng)度與良好塑性，為解決難熔高熵合金加工困難與脆性問(wèn)題提供了新思路。該材料在航空航天、核能及高溫結(jié)構(gòu)件等極端服役環(huán)境中具有廣闊應(yīng)用前景。同時(shí)，所提出的分層打印策略對(duì)多組元合金梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造具有普適意義，為發(fā)展新一代高性能功能梯度材料奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者介紹

李滌塵(團(tuán)隊(duì)帶頭人)，西安交通大學(xué)，精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，教授、博士生導(dǎo)師。自1993年博士畢業(yè)后從事增材制造(3D打印)技術(shù)的基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用工作，擔(dān)任精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，兼任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)副主任委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造(3D打印)分會(huì)總干事。2006年受聘長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授2004年獲得第八屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)，2005年獲得中國(guó)優(yōu)秀博士后稱號(hào)，2000年獲得全國(guó)高校青年教師獎(jiǎng)，獲得“國(guó)務(wù)院特殊津貼”，發(fā)表400余篇論文，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利180余項(xiàng)，2014年獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(第一獲獎(jiǎng)人)，2000年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(第二獲獎(jiǎng)人)，2017年獲得首屆“全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先”獎(jiǎng)狀。

張航(第一作者)，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院 教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。主要研究方向：增材制造、智能制造、激光加工。主持及參與國(guó)家級(jí)項(xiàng)目10多項(xiàng)，獲中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程資助。任《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》等期刊青年編委，發(fā)表SCI論文50多篇，其中第一或者通訊作者論文20多篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20多項(xiàng)，獲軟件著作權(quán)6項(xiàng)，著作3部。

近年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] H. Zhang, J. Cai, J. Geng, X. Sun, Y. Zhao, X. Guo, D. Li, Development of high strength high plasticity refractory high entropy alloy based on Mo element optimization and advanced forming process, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 112 (2023).

[2] H. Zhang, J. Cai, J. Geng, X. Sun, Y. Zhao, X. Guo, D. Li, Study on annealing treatment of NbMoTaTiNi high-entropy alloy with ultra-high strength disordered-ordered transition structure for additive manufacturing, Journal of Alloys and Compounds, 941 (2023).

[3] J. Cai, H. Zhang, L. Wang, X. Sun, X. Xu, X. Guo, D. Li, Design and coherent strengthening of ultra-high strength refractory high entropy alloys based on laser additive manufacturing, Materials Science and Engineering: A, 886 (2023).

[4] Y. Zhao, H. Zhang, J. Cai, X. Sun, L. Wang, X. Xu, X. Guo, Z. Tong, D. Li, An efficient pores suppression process design method for high strength BCC high entropy alloys via powder bed fusion, Journal of Manufacturing Processes, 101 (2023) 371-385.

[5] H. Zhang, X. Sun, X. Xu, F. Zhao, J. Cai, X. Guo, Z. He, D. Li, Numerical simulation of surface structures in single and multi-track laser polishing of Ni P alloy, Journal of Manufacturing Processes, 132 (2024) 404-415.

[6]李滌塵,張航,蔡江龍.難熔高熵合金激光增材制造的發(fā)展：材料性能與制造工藝調(diào)控技術(shù)（特邀）[J].中國(guó)激光,2024,51(01):153-168.

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對(duì)： 金 程

審 核： 張 彤

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