单质粉末共混LMD制备复合梯度TiZrNbTa难熔高熵合金

作者:陈子豪、王玲
来源：机械制造系统工程国家重点实验室

激光金属沉积(LMD)以前也被称为激光熔覆，是一种很有前途的材料筛选技术，因为它提供了修改化学成分和产生大量小样本的能力。考虑到锆、铌、钽、特别是铪等难熔金属材料成本高、熔点高，LMD是真空电弧熔炼的一种较好的替代方法。德国波鸿鲁尔大学采用LMD技术，通过元素粉末共混物的原位合金化，制备了用于筛选的成分梯度难熔高熵合金(HEAs)。用Nb粉逐步替代Zr粉，得到了从Ti25Zr50Nb0Ta25到Ti25Zr0Nb50Ta25的梯度材料。针对难熔元素熔点高、熔点差异大等问题，提出了合适的粉末共混工艺。详细分析了LMD工艺对最终化学成分的影响，并对LMD工艺进行了优化，得到了明确的组分梯度。Ti25Zr0Nb50Ta25和Ti25Zr25Nb25Ta25的组成为单相bcc固溶体，具有粗晶组织。在等原子比组成之外增加Zr与Nb的比例，可以得到更精细、更坚硬的多相微观结构。

图1 进给速度对样品化学均匀性影响的焊缝断面背散射图和EDX元素图

a)进给速度SF=600mm/min b)进给速度SF=100mm/min c)进给速度SF=100mm/min，仅显示样品顶部

图1为3个试样的SEM图像和EDX元素图，说明了重熔过程中进给速度对试样均匀性的影响。在图1a中，采用了高进给速度SF = 600mm/min，因此处理时间快，单位长度激光能量低。结果表明，重熔激光脉冲数量少，钽和铌没有完全熔化。然而，当进给速度降低到SF = 100mm/min时(图1b)，重熔激光脉冲的数量会更高，即使样品的下部和边缘仍然没有完全混合，也会产生更均匀的结构。这可以归因于临近高导热的基底有更快速的冷却层。随着试样高度的增加，表层的均匀性提高。
图1c为5mm高样品(SF = 100mm/min)的尖端，在相同长度上化学成分更加均匀。

图2显示了重熔过程中脉冲能量对化学成分的影响。可以看出，随着脉冲能量的增加，钛的浓度由于熔池的蒸发而降低，钼的浓度由于钼基体的合金化(污染)而增加。

图2 重熔过程中脉冲能量对焊缝化学成分的影响

本研究的结果首次明确表明，LMD是在一定化学成分范围内筛选HEAs的合适加工工具。

参考文献：
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.