具有近净成形，凝固速度快，且成形样品力学性能优异的增材制造技术，为一体化制造高比重钨合金（WHA）提供了新方法。但制造的WHA力学性能不足。故引入高熵合金（HEA）作为粘结相来提高WHA的综合力学性能。然而在LMD方法独特的热循环和高凝固速率下，高熵粘结相的钨合金具有复杂的凝固组织，这会影响钨合金的力学性能，因此研究W-HEA凝固组织演变规律与其背后的演变机制及强化作用具有重要意义。

中南大学粉末冶金研究院韩勇课题组通过激光定向能量沉积（LMD）方法制备了一种以FeCrCoNi-HEA为粘结相的高强度WHA。由于LMD方法独特的热循环和极高的冷却速率，打印出的WHA呈现出亚共晶、类共晶和点状特征的微观结构。结合微观结构表征和相平衡模拟，分析并阐释了WHA合金的凝固路径。凝固过程中μ相从过饱和固溶体中析出，在FeCrCoNi粘结相中形成大量位错，提高了WHA的加工硬化率。此外，μ相在W晶粒周围形成了超薄金属间化合物（IMC）层，减少了W晶粒与FeCrCoNi基体之间的孔洞或裂纹。在析出强化、HEA粘结相的固溶强化以及W晶粒的承载强化共同作用下，设计的HEA粘结相WHA合金在室温下实现了超高的压缩应力和应变，分别为2047 MPa和32%。该研究内容为增材制造高性能钨合金的开发提供了新见解。相关工作成果以“Revealing the solidification microstructure evolution and strengthening mechanisms of additive-manufactured W-FeCrCoNi alloy: Experiment and simulation”为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.075

本文利用激LMD方法制备了W-FeCrCoNi合金，分别设置W重量百分比为75%，85%和90%，探索不同钨含量对钨合金组织性能的影响。表征其组织形貌，发现钨合金中主要的组织形貌呈现弥散分布的点状、胞状亚共晶组织和片状的共晶组织。能谱结果显示共晶组织中W含量最高，其次是亚共晶组织，点状组织中钨含量最低。同时，W颗粒与粘结相界面处产生了中间相，75W-HEA中间相较薄，90W-HEA中间相较厚，85W-HEA中间相缺失留下细密的孔洞。

图1 钨合金的组织形貌图：(a)-(c)75W-HEA，(d)-(f)85W-HEA，和(g)-(i)90W-HEA。

图2 (a)75W-HEA的TEM图像；(b)相应的能谱图；(c)沿扫描线的元素分布图；(d)通过CLPHAD方法计算的液相中元素摩尔分数与温度的关系。

图3 (a)75W-HEA析出在粘结相中沉淀的TEM图像；(b)和(c)为相应的选区电子衍射图。(d)为75W-HEA析出在W颗粒和粘结相界面处中间相的TEM图像；(e)和(f)为相应区域的选区电子衍射图和线扫结果。

图4 W-FeCrCoNi合金的凝固路径图。

图5 W-FeCrCoNi合金随着μ相含量增加的组织演变图。

表征组织结构，确定中间相和析出相皆为μ相，即(Fe, Cr, Co, Ni)₇W₆。随着固溶的W含量增加，μ相相含量增加，组织倾向于从点状变为胞状，最后转变为片状。

图6 W-FeCrCoNi合金力学性能结果。

图7 压缩后75W-HEA的TEM结果。

对钨合金进行了压缩实验，发现钨合金的强度韧性都很高，最高强度为2047 MPa，最高应变约32%。这高强度和高韧性归功于μ相独特的分布特征。析出在粘结相中的细小μ相阻碍位错运动，增强W合金的加工硬化能力，进而提高其力学性能。而析出在W颗粒和粘结相界面处的μ相强化了两者之间的界面连接，提高了钨合金的韧性。