摘要:

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1.文章导读

基于航空航天等极端工况下关键部件的应用需求，聚焦解决宽工作温度范围、低的温度敏感性和高强度组合挑战，近期吉林大学的仿生科学与工程学院的于征磊/张志辉团队提出了利用增材制造技术制造高熵超弹合金。该合金表现出超过5%的可恢复超弹性应变，断裂强度超过2 Gpa，在173K和473K之间具有低的温度敏感性的综合性能。并在SCI期刊《极端制造（英文）》发表了题目为“Achieving wide temperature range superelasticity in additively manufactured high-entropy alloys via refined composite microstructures and partial strain glass transition”的文章。

2.图文解析

本研究的创新之处在于展示了一种利用LDED增材制造技术获得成分为(TiZrHf)₅₀(NiCu)₅₀块体高熵超弹合金，在173—473K的温度范围内，该合金的超弹性应变大于5%，断裂应力大于2000 MPa（如图1所示）。

图1. LDED-(TiZrHf)₅₀(NiCu)₅₀的力学性能表征。

研究中的另一亮点是与铸态样品相比，增材制造的样品的组织细小均匀，枝晶区成分偏析明显减少，防止了金属间化合物的过度粗化。并且在枝晶内区含有类似于NiTi合金的可逆相变母体，而枝晶间区含有B2相和类似于Zr₂Cu的相（如图2所示）。

图2. LDED和铸造方法制备的(TiZrHf)₅₀(NiCu)₅₀高熵合金的组织和尺寸。

此外，在原位加热−冷却循环过程中，增材制造样品中枝晶中的B2基质具有丰富的纳米结构，并且许多位错缺陷既保留在B2树枝晶区域中的纳米结构的界面上，并且具有最大5%的晶格畸变程度，在原位升降温过程中表现为应变−玻璃化转变和晶化马氏体形成的混合响应（如图3所示）。

图3. 增材制造样品的B2相和B19’相的HRTEM图像、快速傅立叶变换(FFT)图像及其对应的快速傅立叶逆变换(IFFT)图像，以及应变分布图像。

在本研究中进一步讨论了相间组织的演变和宽温度范围超弹性增强的机制，主要归因于基质强度的显著提高、低温敏感性、部分应变玻璃转变和强烈的纳米晶格变形。多元素掺杂引起的显著晶格扭曲和固溶效应显著提高了成品试件的屈服强度，通过采用“优化相变机制、强度匹配和稳定相结构”的核心原则，可以减轻温度对超弹性性能的影响，最终导致温度敏感性的降低（如图4所示）。

图4. LDED-(TiZrHf)₅₀(NiCu)₅₀在173 K至573 K的温度范围内的相变示意图。

3.总结与展望

这项工作首次实现了超弹性应力和可恢复应变的同时增强，这一特性使这种超弹性合金适合在更宽的温度窗口内应用，L-DED等独特的增材制造工艺在发展高性能高熵合金方面具有相当大的潜力。