据中国激光杂志社网，于2024年03月01日报道，难熔高熵合金具有超越传统高温合金的优异性能，在航空航天、核工程等领域中具有广阔的应用前景。常规真空电弧熔炼方法制备的难熔高熵合金存在成分偏析严重、研发周期冗长、材料尺寸受限等问题。本封面展示了通过激光增材制造可实现难熔高熵合金材料与结构的一体化成形，典型应用有激光增材制造难熔高熵合金涡轮叶片，该类叶片预期能服役于高温度、大负载、强氧化/盐雾腐蚀的环境，可发挥高熵合金的优异性能。采用激光增材制造开发和成形难熔高熵合金将为下一代航空发动机热端部件的制造提供新型材料和成形方法。
一、背景介绍
难熔高熵合金（RHEA）是由高熔点元素W、Nb、Mo、Ta、Hf等组成的高熵合金，其所具有的特殊无序固溶体相结构使其具有大晶格畸变、高构型熵、扩散迟滞效应和“鸡尾酒”效应等四大效应。在这些特殊效应的作用下，高熵合金有望突破传统合金的性能极限，集超高硬度、高强度、高延展性、杰出的热稳定性、良好的耐磨性和耐蚀性、良好的抗氧化性等于一体，在航空航天、核工程、**装备等领域具有广阔的应用前景。然而，难熔高熵合金发展面临着两个难点：常规真空电弧熔炼方法制备的难熔高熵合金存在成分偏析严重、研发周期冗长、材料尺寸受限等难题；难熔高熵合金的硬度很高，难以实现复杂结构的成形和加工。因此通过激光增材制造实现材料与结构一体化成形是突破现有问题的发展方向，国内外学者在此方面进行了大量探索。
二、关键技术进展
1、难熔高熵合金激光增材制造缺陷的调控机制
难熔高熵合金增材制造过程中激光强烈热作用导致的裂纹和孔隙缺陷是工艺研究的重点和难点。为了消除裂纹和孔隙缺陷，从两个方面解决，一是通过材料合金设计，进行材料优化，增强韧性，抑制裂纹产生，减少孔隙形成；二是通过工艺仿真和工艺优化解决这一难题。
（1）裂纹及其调控研究的进展与难点
高熵合金激光增材制造过程中所产生的裂纹主要分为热裂纹和冷裂纹。激光增材制造过程中存在两种主要的热裂行为，即凝固开裂和液化开裂。典型的凝固裂纹特征如图1所示，其中图1（a）~（b）为最后凝固液膜的不规则树枝状形貌。液化裂纹往往沿晶界发生，没有树枝状特征，如图1（c）~（d）所示。少量微纳米颗粒添加、热等静压和工艺优化和是解决高熵合金成形难和裂纹敏感问题的主要方法。对于冷裂纹而言，由于激光增材制造过程中金属的脆性和热循环引起了较大的残余应力，其发生在相对较低的温度下，而且没有金属液体从凝固的金属中形成。
（2）孔隙及其调控研究的进展与难点
激光增材制造金属部件中的孔隙缺陷可以分为4种类型：1）未熔合孔隙；2）冶金孔隙；3）微孔隙（锁孔）；4）收缩孔隙。它们的典型结构如图2（a）~（c）所示，其尺寸从几到几十微米不等。控制孔隙最有效、最常见的方法是工艺窗口和工艺参数优化。在不同的文献中，由能量密度定义的工艺窗口差异较大。因此，为了获得一个最优的工艺窗口，需要开发修正的能量密度公式，或者需要识别单个工艺参数及其相互作用对零件孔隙率的影响。
2、激光增材制造难熔高熵合金材料的快速研制
相比传统真空电弧熔炼，激光增材制造在快速开发难熔高熵合金上具有明显优势。采用2个或以上送粉器的LDED技术可以快速实现难熔高熵合金材料组分及其配比的筛选。Moorehead等[6]结合LDED成形技术研发出了一种高效的材料开发方法，如图3所示。在激光成形设备的4个独立的粉仓中分别放入等摩尔的Nb、Mo、Ta、W粉末，通过调整粉仓中螺旋滚轮的转速来调整送入激光熔池的粉末流量，从而实时改变材料配比和成分，实现复合材料的快速成形。研究人员采用此方法进行了不同成分配比的NbMoTaW合金的LDED成形，通过调整螺旋滚轮转速等参数，基本实现了高熵合金相的形成以及成分设计比例与实际测试比例的精准映射。Nb、Mo、Ta、W各元素的成分误差均在10%以内，且成分分布均匀，如图4所示。因此，采用机械混粉能够有效动态调控合金组分，从而能够实现多型高熵合金材料设计条件下的大通量快速制造和实验验证。
3、激光增材制造难熔高熵合金的力学性能
激光增材制造难熔高熵合金的力学性能直接决定了该材料的工程化应用，材料能否适应短期加速、结构承载、长期疲劳等应用场景，与其室温拉伸性能和塑性是否符合要求紧密相关，而难熔高熵合金的室温拉伸性能较差，直接限制了其在上述场景中的应用。另外，在高温应用场景下，高温结构承载、热防护、动能打击等多种服役条件对材料的高温压缩强度和拉伸强度都有较高要求。
（1）激光增材制造难熔高熵合金的室温力学性能
目前，对难熔高熵合金的增材制造成形有了一定研究基础。室温力学性能方面的研究主要集中于抗压强度和硬度。其中，西安交通大学Zhang的研究最为突出。该团队采用LPBF成形了超高强度、极细晶粒的NbMoTaTiNi 高熵合金，其室温压缩屈服强度可达1728 MPa，抗压强度高达2753 MPa。经1200℃退火后，合金的压缩应变为33.55%，比退火前提高了54.3%[7]。
由于难熔高熵合金的高脆性以及成形缺陷难控制，对其抗拉性能的研究相对较少。Li团队[8]通过对Mo元素含量进行优化以及调整Ti和Ni元素的添加比例，采用LPBF成形了极限抗拉强度为1403 MPa、延伸率为5.1%的Nb3Ta3Mo(Ti2Ni)3，其拉伸性能领先于其他所有增材制造的难熔高熵合金。
（2）激光增材制造难熔高熵合金的高温力学性能
高熵合金由于具有较好的热稳定性，被认为是新一代高温高强结构的替代材料。在难熔高熵合金激光增材制造过程中，缺陷控制及低熔点元素比例是制约其高温性能的关键。Li等通过添加少量Ti和Ni元素，解决NbMoTaX系合金LPBF成形过程中的裂纹缺陷。RHEA01合金1000℃下的抗压屈服强度为724.45 MPa[9]。此系列难熔高熵合金与航空航天中常用的T-111、C103、Nb-1Zr高温合金相比具有更加优异的性能。Jeong等[10]测试了LDED制备的TiNbCrVNi合金的高温抗压性能，如图5所示，可见，其在1000℃和800℃时的抗拉屈服强度均不足100 MPa。
4、难熔高熵合金的激光增材制造工艺开发
单因素实验、熔池数值化搭接优化、数值模拟辅助等是难熔高熵合金激光增材制造工艺快速优化的常用策略。宁波大学的Ye等[11]采用LDED技术制备CoCrMoNbTi0.4合金，当线能量密度为3.6 J/mm时，具有最高的显微硬度和抗压强度。西安交通大学的Li教授团队[12]采用LPBF成形了Nb30Mo10Ta30Ti20Ni10合金，并发现通过熔池搭接可显著改进成形质量，图6为溶池搭接优化示意图。合金的致密度高达99.99%，室温抗拉强度为1.46 GPa。该团队采用热力学和力学模型与FD-FE相结合的方法，成功地模拟并改进了LPBF成形WTaMoNb难熔高熵合金的整个过程，该研究有助于深入分析激光增材加工工艺特征，从而有助于LPBF一体化成形WTaMoNb复杂结构样件的工艺优化。
5、难熔高熵合金复杂构件的形性一体化制造
尽管激光增材制造具有成形复杂结构的技术优势，但因工艺技术问题，成形难熔高熵合金复杂结构件的报道较少。西安交通大学的Li教授团队致力于难熔高熵合金激光增材制造大尺寸样件的工艺研究，通过结合数值建模、网格嵌套技术，建立有限差分/有限元模型，得到了成形过程中的温度场以及应力和应变场。为了使温度分布尽可能均匀，他们对工艺参数进行了修正，以减小应力和应变。他们采用优化后的参数成形了无翘曲的方块形试样和缩比的涡轮叶片样件，如图7所示，首次实现复杂结构难熔高熵合金试样的精确整体成形[13]。
三、总结与展望
发展难熔高熵合金的激光增材制造技术，有利于推进难熔高熵合金的快速研发迭代。采用激光直接3D成形可以避免成分偏析以及对高温熔炼设备的需求。发展材料制备与成形一体化技术，可为大承载、高温、高腐蚀的航空航天、核工程、**装备部件制造提供新途径。
激光增材制造是将难熔高熵合金推向应用，开展其构件制造的重要途径。材料和工艺的进步是难熔高熵合金激光增材制造复杂构件整体成形的前提，目前已具备成形简单试样的能力，仍需要进行深入研究来加快激光增材制造难熔高熵合金形性一体化制造工业化应用的进程。
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通信作者简介
李涤尘，西安交通大学，精密微纳制造技术全国重点实验室主任，教授、博士生导师。自1993年博士毕业后从事增材制造（3D打印）技术的基础研究与工程应用工作，担任精密微纳制造技术全国重点实验室主任，兼任中国机械工程学会特种加工分会副主任委员，中国机械工程学会增材制造（3D打印）分会总干事。2006年受聘长江学者特聘教授，2004年获得第八届中国青年科技奖，2005年获得中国优秀博士后称号，2000年获得全国高校青年教师奖，获得“国务院特殊津贴”；发表400余篇论文，获得国家发明专利180余项；2014年获得国家技术发明奖二等奖（第一获奖人）；2000年获得国家科技进步二等奖（第二获奖人）；2017年获得首届“全国创新争先”奖。
张航，西安交通大学机械学院副教授、博士生导师，中国机械工程学会高级会员。主要研究方向智能制造、激光特种制造、数字化制造。主持及参与国家级项目10多项，获中国青年人才托举工程资助。任机械工程学报等期刊青年编委，发表SCI论文50多篇，其中第一或者通讯作者论文20多篇，授权国家发明专利20多项，获软件著作权3项，著作2部。
