难熔高熵合金是由钛(Ti)、钒(V)、铪(Hf)、铌(Nb)、钼(Mo)等难熔金属元素为主元形成的多主元难熔合金。它的“超能力”在于高温下依然保持着高强度抗软化能力强适用于诸如空间核反应堆、火箭喷嘴等极端环境服役的装备中。但它的软肋也很明显室温下非常脆用传统方法如锻造、轧制难以加工成复杂形状。此外常规的铸造方法会导致成分不均匀需要长时间高温处理费时费力。而3D打印特别是“定向能量沉积”技术简称DED能一层一层地“叠”出零件同时利用超快冷却特性来避免成分偏析是较为理想的解决方案。然而DED打印难熔合金时由于各元素熔点相差巨大钼的熔点约2896 K钛仅约1933 K极易产生未熔化粉末颗粒、气孔和裂纹等缺陷。这些缺陷会严重破坏材料的力学性能。3D打印中的成形缺陷西北工业大学的研究团队以Processing defects and damage mechanisms in refractory high-entropy alloys additively manufactured via directed energy deposition 为题在Journal of Materials Science Technology期刊发表了论文。研究人员采用混合粉末粒径15~150 µm作为原料通过DED技术3D打印了一种特定配比的合金Ti₄₁V₂₇Hf₁₃Nb₁₃Mo₆at.%。研究者发现激光功率和扫描速度是控制缺陷的关键。能量不足如低功率高速度高熔点铌、钼粉末不能完全熔化残留在材料中形成“未熔颗粒”。这些颗粒与周围基体结合性很差成为裂纹源。能量过高如高功率低速度熔池过热、湍流加剧易引起热应力裂纹同时可能使元素烧损。通过变参数实验图1图6研究者总结出熔池宽度、深度、润湿角等特征都与激光能量密度密切相关。当能量密度太低时未熔颗粒比例UPF很高能量密度适中时可以获得连续、稳定的熔道能量密度过高则导致熔池不稳定。最终确定单道沉积的优选工艺区间为40004500 W激光功率配合480~720 mm/min的扫描速度。如何优化工艺为了消除未熔缺陷同时避免裂纹研究者提出了两种优化策略图7、图8策略一高功率高速度工艺简称工艺H工艺激光功率4500 W扫描速度720 mm/min。原理提高熔池温度峰值达3203 K使高熔点颗粒充分熔化同时高速扫描避免过热抑制裂纹的产生。策略二低功率低速重熔工艺简称工艺R工艺先用3000 W、720 mm/min打印一层再用3000 W、360 mm/min不送粉“重熔”一遍。原理第一次扫描形成熔池第二次重熔提供额外能量使未熔颗粒完全熔化温度峰值达到3009 K。温度场模拟图7证实两种工艺的熔池峰值温度均超过了钼的熔点2896 K又低于钛的沸点3560 K既能充分熔化所有粉末又不会导致低熔点元素挥发。实现缺陷抑制性能显著提升对比三种工艺下的打印块体样品L低能量未优化R重熔优化H高功率高速优化样品L存在大量未熔颗粒和孔洞未熔颗粒占比1.3%孔隙率0.86%几乎没有任何塑性拉伸断裂应变不到0.5%强度仅636 MPa。样品R未熔颗粒占比降至0.45%孔隙率0.44%。屈服强度1081 MPa延伸率12.4%。样品H缺陷最少未熔颗粒占比约0.14%孔隙率0.13%。屈服强度1033 MPa延伸率高达17.9%实现了强度和塑性的良好平衡图11a。为什么样品H的强度略低于R因为H工艺下熔池温度更高导致晶粒长大图9f削弱了细晶强化效果。但更少的缺陷让该样品获得了更好的塑性。缺陷如何造成损伤为阐明缺陷在变形过程中的损伤行为研究者采用了数字图像相关DIC和X射线三维断层扫描XCT技术。样品R中等密度缺陷应变集中在与拉伸方向呈45°的剪切带上图11b裂纹容易在未熔颗粒与基体的界面萌生图13然后沿着未熔颗粒边界扩展。XCT显示断裂后样品R中的裂纹在所有成形缺陷中的占比高达36.6%且其中12.9%的裂纹萌生与未熔颗粒相关。样品H低密度缺陷应变分布更加均匀高应变区域占比是样品R的两倍图11c。破坏方式以微孔聚集为主而不是裂纹扩展。断口形貌图17也证实样品H布满细小的韧窝韧性断裂特征而样品R则存在解理面和撕裂棱准解理断裂特征。3D打印高质量难熔高熵合金的关键通过这项研究我们了解到1. 关键缺陷未熔颗粒和孔洞是导致难熔高熵合金脆性断裂的关键缺陷抑制此类缺陷将合金变形损伤行为从“裂纹主导”变为“微孔主导”材料从脆性转变为韧性断裂。2. 优化工艺高功率高速度H工艺效果最好能大幅降低缺陷重熔策略R工艺次之但也能显著改善力学性能。3. 实际意义该工作为DED成形难熔高熵合金提供了有效的缺陷抑制策略结合XCT重构、DIC应变表征与滑移迹线分析揭示了该合金的变形损伤行为以推动难熔高熵合金先进制造与强韧化的发展。随着增材制造技术的持续突破难熔高熵合金有望真正走出实验室从概念性的先进结构材料变为现实中可用于制造“钢铁侠”马克战甲的工程化材料。图片解析图1. 粉末制备与DED加工。(a) 混合粉末制备过程示意图。(b) 激光沉积系统装置示意图。© 正交扫描路径。(d) 横截面拉伸试样垂直于Z轴和金相试样中部区域的取样位置。沉积方向记为Z轴。图2. 混合粉末及打印样品的形貌与成分表征。(a) Ti、V、Hf、Nb、Mo粉末的扫描电镜(SEM)图像显示Mo粉末表面存在孔洞。(b) SEM图像及EDS面扫描显示粉末混合均匀。© 混合粉末的粒径分布(D10 91.9 µm, D50 44.4 µm, D90 24.5 µm。(d) 单道沉积试样。(e) 典型DED块体样品。图3. 单道横截面的BSE显微照片熔池形貌与工艺参数激光功率1500-4500 W扫描速度240-720 mm/min的关联。比例尺为2 mm。图4. 低激光功率3000 W-高扫描速度720 mm/min条件下熔池截面缺陷记为工艺L。(a) BSE图像显示高-Tm)亮色和低-Tm暗色的未熔化颗粒。(b) EDS面扫描结果。图5. 熔池特征随激光功率和扫描速度的变化。(a) 熔池宽度(w)。(b) 熔池高度(h)。© 熔池深度(d)。(d) 熔池润湿角(θ)。(e) 熔池稀释率(Ad/(AsAd))。(f) 熔池中未熔颗粒面积占比(UPF)。图6. 熔池特征的热图分析及单道稳定性评估。(a) 相关性热图1/-1表示最大正/负相关。(b) 基于不同工艺参数下熔池表面沉积形貌的单道稳定性评价。图7. 三种典型激光成形工艺(L/H/R)下单道温度场的模拟结果。(a) 某时刻的温度场分布。(b) 熔池XOZ截面上的温度等值线。© 沿Y方向提取线处的温度曲线。图8. 抑制未熔缺陷的工艺参数优化。(a) 高激光功率4500 W-高扫描速度720 mm/min条件下熔池的BSE图像及EDS面扫描。(b) 高功率-高速度缺陷抑制策略记为工艺H。© 初次扫描3000 W-720 mm/min加重熔3000 W-360 mm/min条件下熔池的BSE图像及EDS面扫描。(d) 重熔缺陷抑制策略记为工艺R。图9. 三种典型工艺下打印块体样品的微观结构与缺陷统计。(a-c) 样品L、R、H的显微组织和元素分布。(d) 未熔缺陷面积占比UPF比较。(e) 孔隙率比较。(f) EBSD的IPF图显示无明显织构。图10. 基于XCT技术获得的DED RHEA中缺陷分布与特征参数。(a) 不同工艺(L、R、H)打印样品的3D缺陷分布彩色代表孔洞灰色代表未熔颗粒。(b) 孔洞和未熔颗粒的平均Feret直径的箱线图。© 孔洞和未熔颗粒的球形度分布。图11. 不同工艺制备的打印态样品的力学响应。(a) 室温工程应力-应变曲线。(b) 通过DIC获得的R和H样品在单轴拉伸下的应变分布图。© 不同工程应变下沿加载方向的局部应变分布。图12. R样品在5%拉伸应变下的滑移行为。(a) 在未熔颗粒与基体界面处的滑移传递事件1在孔洞附近滑移迹线转向事件事件2和事件3分别对应(b)和©。图13. R样品中未熔颗粒的变形响应。(a) 变形过程中未熔颗粒的形貌。(b) 未熔颗粒与基体之间的界面脱粘。© 由未熔缺陷引发的裂纹萌生。(d) 未熔颗粒-基体界面处的裂纹源。(e) 断口表面未熔颗粒引起的滑移阻碍。(f) 未熔缺陷的SEM图像。(g) 拔出颗粒对应的Mo元素分布。图14. R样品中孔洞的变形响应。(a) 变形过程中孔洞聚集形成的裂纹。(b) 裂纹分析(b1) 裂纹扩展路径的SEM图像(b2) EBSD的IPF图(b3) EBSD的KAM图。© 裂纹止裂处的扭折带。(d) 沿A1–A2和B1–B2线的取向差分布。图15. 损伤机制图总结了在中等缺陷含量R样品和低缺陷含量H样品RHEA中缺陷主导的损伤演化路径。图16. 断裂样品中损伤诱导缺陷的特征参数。(a, b) 断裂H和R样品中缺陷球度与体积的关联图。© 缺陷面积占比随距断口距离的变化趋势分层截面数据。图17. L、R和H样品的断口形貌(a) L样品显示未熔枝晶(a1)、脆性断口(a2)及解理面(a3)(b) R样品显示孔洞(b1)、具有河流花样和韧窝的准解理断口(b2)以及撕裂棱(b3)© H样品显示以微孔为主的韧性断裂(c1)及大量韧窝(c2, c3)。研究团队简介王锦程西北工业大学材料学院教授博士生导师。主要从事材料多尺度计算、合金设计、增材制造等方面的研究工作。先后承担国家自然科学基金、973计划、国家重点研发计划等科研项目20余项发表学术论文400余篇授权专利20余项。何峰西北工业大学材料学院教授凝固技术全国重点实验室副主任、中国材料研究学会青年工作委员会理事、增材制造材料委员会委员、中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《Journal of Materials Science Technology》青年编委。获中国科协第九届“青年人才托举工程”陕西省“三秦英才”上海市“青年科技英才扬帆计划”。主持国家级项目4项省部级项目3项。相关成果共发表 SCI 论文百余篇含第一/通讯作者 SCI 论文 56 篇包括金属/冶金/加工等领域顶刊Nature Communications, Acta Materialia, International Journal of Plasticty, Additive Manufacturing和JMST等其中8篇入选高被引/热点论文单篇被引过百的论文17篇。崔丁聪西北工业大学材料学院2022级博士研究生师从王锦程教授、何峰教授致力于难熔高熵合金的快速凝固组织及强韧化机理研究。以第一作者在International Journal of Plasticty, Additive Manufacturing和JMST等期刊发表12篇 SCI论文1篇入选封面文章与热点论文2篇入选ESI高被引论文论文被引数过千。获国家奖学金(2次)国家建设高水平大学公派研究生项目资助入选首批“中国科协青年人才托举工程博士生专项计划”。论文引用Dingcong Cui, Shuya Zhang, Songyu Wang, Xiaoyu Bai, Chengyu Li, Junyu Chen, Boxin Wei, Kunlei Hou, Upadrasta Ramamurty, Jincheng Wang, Feng He, Processing defects and damage mechanisms in refractory high-entropy alloys additively manufactured via directed energy deposition, J. Mater. Sci. Technol. 258 (2026) 170-186.https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.09.034.