摘要：在材料科学的广阔领域中，难熔高熵合金（RHEAs）作为多主元合金的代表，宛如一颗冉冉升起却又布满荆棘的新星，吸引着众多科研人员与产业界的目光。它凭借自身优异的高温性能，在诸如航空航天发动机高温部件、极端工况下的工业设备等领域展现出巨大的应用潜力；其良好的生物相

长三角G60激光联盟导读

主要作者：Changxi Liu，Lai-Chang Zhang*，Kuaishe Wang*，Liqiang Wang*

第一单位：上海交通大学

发表期刊：Acta Materialia

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120526

研究背景

在材料科学的广阔领域中，难熔高熵合金（RHEAs）作为多主元合金的代表，宛如一颗冉冉升起却又布满荆棘的新星，吸引着众多科研人员与产业界的目光。它凭借自身优异的高温性能，在诸如航空航天发动机高温部件、极端工况下的工业设备等领域展现出巨大的应用潜力；其良好的生物相容性，也为生物医学植入材料的革新带来了希望之光，像是人造关节、牙科植入物等方面，都可能因它而发生质的飞跃。

然而，前行的道路总是充满坎坷。传统铸造法在面对难熔高熵合金时，遭遇了难以逾越的障碍。由于其组元具有高熔点的特性，熔炼过程变得异常艰难。想象一下，在高温熔炉中，这些高熔点组元如同顽固的巨石，极难被彻底熔化并均匀混合，这不仅耗费大量的能源与时间，还使得最终产品的质量难以保证，内部可能存在成分偏析等缺陷，严重影响材料性能。

更棘手的是，难熔高熵合金与生俱来的低塑性，如同紧箍咒一般，极大地限制了它在实际场景中的广泛应用。例如在机械加工过程中，低塑性使得材料极易在成型阶段发生开裂，无法被加工成复杂的形状，这就好比一个技艺精湛的工匠，面对一块质地脆弱、难以塑形的材料，空有一身本领却难以施展。

为了提升难熔高熵合金的强度，科研人员们尝试了诸多强化策略，像析出相、孪晶界、晶界调控等方法。这些策略在一定程度上确实能够增加材料的强度，就如同给材料穿上了一层防护铠甲。但遗憾的是，它们带来了新的问题。在微观层面，这些强化手段往往会导致位错塞积和应力集中现象的出现。位错就像是材料内部的 “混乱因子”，当它们大量堆积无法顺畅移动时，就会在局部区域形成过高的应力，如同在一座桥梁的某个部位集中了过多的重量，最终导致桥梁不堪重负。这种应力集中会进一步加剧材料塑性的损失，使得难熔高熵合金原本就不高的塑性雪上加霜，陷入了强度提升却牺牲塑性的困境。如何打破这种强度 - 塑性之间的权衡困境，成为了横亘在难熔高熵合金发展道路上的关键挑战，亟待科研人员去探索、去攻克。

Fig. 1. SEM morphology and corresponding EDS elemental distribution of mechanically alloyed powder.

2. 增材制造的机遇与瓶颈

在当今科技飞速发展的浪潮中，激光增材制造（AM）技术异军突起，为材料制备领域带来了全新的变革曙光，尤其是在难熔高熵合金（RHEAs）的加工制造方面，展现出了独特的潜力与魅力。

激光增材制造技术宛如一位神奇的 “立体绘画大师”，借助逐域成形技术，能够突破传统制造工艺的诸多限制，轻松打造出复杂精妙的结构。这种制造方式就如同用画笔在三维空间中一笔一划地勾勒，不再受限于模具的形状，无论是内部具有精细镂空结构的零部件，还是外形不规则但功能需求特殊的产品，它都能精准地将设计蓝图转化为实物。而且，该技术的快速冷却特性更是犹如一位 “微观结构魔法师”，在材料凝固过程中发挥着关键作用，促使独特微观组织的形成，其中晶内胞状结构便是其神奇 “魔法” 的产物之一。

在难熔高熵合金的研究领域，前期科研工作者们经过不懈探索发现，利用激光增材制造技术制备的 RHEA 中，胞状结构能够通过元素偏析的方式得以形成。这一发现犹如在黑暗中点亮了一盏明灯，为深入理解和调控难熔高熵合金的性能提供了新的方向。然而，目前这一领域仍被重重迷雾所笼罩。胞状结构虽然已被观察到，但其对难熔高熵合金力学性能的调控机制却如同隐藏在迷雾背后的神秘密码，尚未被科研人员完全破译。我们知道它对材料性能有着重要影响，但具体是如何在微观层面上，通过与位错、晶界等相互作用来改变材料的强度、塑性等力学特性，依旧是一个亟待解答的谜题。

尤为关键的是，如何巧妙地利用此类独特的胞状结构，实现对难熔高熵合金的协同强化，更是成为了当前研究的核心难题。协同强化意味着要让胞状结构与其他可能的强化因素（如固溶强化、第二相强化等）相互配合、协同发力，如同一场精心编排的交响乐，各个乐器组共同演奏出和谐美妙的乐章，从而使材料在强度和塑性等多方面性能上实现全面提升。但截至目前，科研人员们仍在努力探索其中的奥秘，尝试找到那把能够开启协同强化大门的 “钥匙”，以便充分挖掘激光增材制造技术在难熔高熵合金领域的巨大潜力，推动这一材料科学前沿领域实现跨越式发展。

Fig. 2. The grain distribution and crystal structure of as-built and cyclic-deformation treated (CP) RHEA results.

3. 研究思路

你知道吗，在利用激光增材制造技术制备的难熔高熵合金（AM - RHEA）里，有一种胞状结构，它就像被遗落在角落里的宝藏，还没有被我们好好利用起来。现在，有一个超厉害的研究团队，想出了一个极具创意的办法。

我们先了解一下，在材料受力变形的时候，有一个弹性阶段，在这个阶段，材料变形后还能恢复原状。不过，研究团队发现，在这个弹性阶段里，其实还藏着一个微塑性阶段。在这个微塑性阶段，材料虽然看起来还像在弹性阶段那样能恢复，但其实内部已经有一些微小的变化在发生了。

研究团队打算利用这个微塑性阶段，对 AM - RHEA 材料进行预变形操作。这就像是给材料提前做一个 “小锻炼”，经过这个预变形，材料内部会形成一个位错网络。什么是位错网络呢？简单来说，位错就像是材料内部原子排列的一些小混乱，很多位错交织在一起，就形成了位错网络。

而 AM - RHEA 里本来就存在的胞状结构，这时候就发挥大作用啦！胞状结构会产生一种钉扎效应，它就像一个个小夹子，把位错网络给 “夹住”。这种钉扎效应和位错网络相互配合，就能够协同提升材料的强度和塑性。强度提升了，材料就更结实，不容易被破坏；塑性提升了，材料就更 “灵活”，能承受更大的变形而不破裂。通过这种创新思路，研究团队有望让 AM - RHEA 这种材料发挥出更大的潜力，在更多领域得到更好的应用。

Fig.3 The morphology and mechanism of the cellular structure in additively manufactured RHEA

研究方法

科研人员选用了一种名为 Ti1.5Nb1Ta0.5Zr0.5Mo1 的成分体系来打造他们心中理想的合金。这可不是随意挑选的，每一种元素的含量都经过了深思熟虑。就好比烹饪一道美味佳肴，各种食材的比例决定了最终菜品的味道。为了让这些元素能均匀地混合在一起，科研人员采用了机械合金化的方法来制备预合金粉末。想象一下，这就像是用一台超级搅拌机，把各种不同的 “原子食材” 充分搅拌，确保它们在微观层面上均匀分布，为后续打造性能优良的合金奠定基础。

接下来，就要用到神奇的激光粉末床熔融（LPBF）技术了。这可是一种高科技的材料制造手段，就像是有一只激光 “魔法手”，在粉末床上一层一层地 “雕刻” 出材料的形状。但是，要让这只 “魔法手” 发挥出最佳效果可不容易，需要对很多参数进行调试。科研人员经过大量的尝试，从 72 组参数中不断筛选，最终确定了最优工艺。这个最优工艺的激光功率要控制在 240 - 400 瓦之间，扫描速度则是 300 - 1700 毫米 / 秒。通过这样精准的参数设置，制造出来的材料致密度能达到 99.5%。致密度高意味着材料内部的空隙少，就像一块紧密堆积的石头，结构更加稳固，性能自然也就更好啦。

当材料制备出来后，科研人员还不满足，他们想要进一步挖掘材料的潜力，于是就有了循环变形处理这一步。

他们针对利用增材制造技术制备出来的难熔高熵合金（AM - RHEA）试样，进行了一个特别的操作。这个试样有一个成形方向，我们把它叫做 Z 轴。科研人员沿着这个 Z 轴方向，对试样施加 100 次循环压缩 - 卸载的作用力。这个过程有点像我们反复挤压一个海绵然后再松开。这里的应变幅设置为 2.5%，应变速率是 1×10⁻³ s⁻¹。在这个过程中，材料处于弹性阶段，但是别小看这个弹性阶段，里面其实还隐藏着微塑性变形。在这个微塑性变形的作用下，材料内部的位错会发生重排。位错就像是材料内部原子排列的一些小混乱，经过这样的循环变形处理，这些混乱的位错会重新排列组合，就像把杂乱的积木重新搭建，从而让材料的性能得到进一步提升，变得更加强韧。

通过这样一系列从材料制备到工艺优化，再到循环变形处理的操作，科研人员正在一步步揭开新型合金材料的神秘面纱，让它们能更好地为我们的生活和科技发展服务。

Fig. 4. The dislocation distribution in the as-built and CP RHEA. A, The schematic diagram depicting stress changes during cyclic deformation processing.

3. 表征与测试

在研究新型材料时，需要了解它内部的情况和性能表现，这就用到了各种先进的表征与测试方法。

为了看清材料内部微观结构的奥秘，科学家们请来了 SEM、EBSD、TEM 和 STEM 这些 “微观侦察兵”。SEM 如同强大的放大镜，能展现材料表面微观形貌；EBSD 可确定晶粒取向，像给晶粒的排列 “标方向”；TEM 和 STEM 则像透视眼，深入材料内部，解析胞状结构以及位错分布，让原子尺度的细节无所遁形 。同时，EDS 和 XRD 也来帮忙，EDS 能探测元素分布，验证是否存在元素偏析，XRD 则通过分析 X 射线衍射图案，确定材料的相组成，就像给材料的 “化学配方” 做鉴定。

在力学性能评估方面，室温单轴压缩试验登场了。科学家以每秒 1×10⁻³ 的应变速率对材料施压，这一过程就像给材料做 “抗压测试”。通过这个试验，能精准测出材料的屈服强度，也就是材料开始变形的临界压力，同时了解它的塑性，即能承受多大程度的变形而不破裂 。科学家还会依据应力 - 应变曲线，计算出材料的弹塑性功，这就好比算出材料在抗压变形过程中的 “能量消耗”，全方位了解材料的力学特性 。

Fig.5 Mechanical properties of as-built and CP RHEA

研究结果

在材料科学中，AM-RHEA 这种难熔高熵合金很是特别。

Fig.6 The grain distribution and crystal structure of as-built and CP RHEA results at ~10 % strain

Fig.7 The schematic diagrams illustrating the formation of cellular structure and dislocation network

结论

Fig.8 The dislocation distribution in CP RHEA at ~10 % strain

深度洞察

Fig.9 The schematic diagram illustrating the dislocation evolution in as-built and CP RHEA during the deformation

文章来源：Acta Materialia，Volume 283, 15 January 2025, 120526，Improving strength and plasticity via pre-assembled dislocation networks in additively manufactured refractory high entropy alloy，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120526

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟