晶格常数计算公式

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【相关链接】

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.173821

【Highlights】

•通过FS激光制备了高硬度的ZrNbMoTaW RHEA。

•烧结ZrNbMoTaW RHEA具有超细和均匀的微观结构。

•Fs激光烧结导致多组分BCC固溶体的形成。

•强调了由严重晶格畸变引起的固溶强化。

•系统地研究了制备的RHEA的强化机理。

Abstract

本文报道了一种基于飞秒激光的难熔高熵合金（RHEA）的制备方法。综上所述，飞秒激光制备ZrNbMoTaW体心立方RHEA强化机理.通过分析不同加工参数下飞秒激光制备的ZrNbMoTaW RHEAs的力学性能，获得了显微硬度增强、孔隙率低的ZrNbMoTaW RHEA的最佳飞秒激光制备窗口。研究了ZrNbMoTaW RHEA在优化加工参数下的晶粒形貌、物相结构、元素分布、局部取向误和晶格参数。测量瞬时制造温度，分析飞秒激光对粉体熔化的影响。结果表明，ZrNbMoTaW RHEA的微观结构由均匀的BCC1和BCC2相分布组成，晶粒大小（大道= 2.1 μm）。基于对硬度增强的RHEA的数值推导，给出了飞秒激光制备ZrNbMoTaW RHEAs的多重强化机理，分别包括摩擦应力（16.4%）、位错硬化（17.9%）、晶界强化（9.9%）和固溶强化（55.8%）。充分的固溶效果、高位错密度和低晶粒尺寸使ZrNbMoTaW RHEA具有高硬度（维氏硬度价值= 565.7 HV）。这表明飞秒激光在调控多种元素的相互溶解度和引入强化因子方面具有重要作用。所揭示的强化机理可以作为设计和改善基于NbMoTaW的RHEAs力学性能的基础。

Introduction

自Senkov等于2010年提出一种新的高熵NbMoTaW基合金用于航空航天应用以来，NbMoTaW体系难熔高熵合金（RHEAs）的制备引起了广泛关注。基于第一性原理计算，Zr元素可以提高NbMoTaW基RHEA的延展性，表现为促进相分离和降低价电子浓度。Li等采用真空电弧熔炼法制备了压缩应变高达15.8%的ZrNbMoTaW RHEA，并验证了Zr元素的最佳掺杂比例。然而，ZrNbMoTaW RHEA在传统的熔融或铸造过程中，由于其元素容易偏析，因此具有粗大的枝晶微观组织，使其硬度分布不均匀，微观组织的最小硬度为2 GPa。这种偏析在真空熔炼过程中进一步扩大，这限制了这种合金作为关键航空航天部件或需要抗冲击的飞机蒙皮的耐磨涂层的应用。因此，需要新的制造技术来生产具有高硬度的均匀ZrNbMoTaW RHEAs。

激光加工作为一种新兴技术，因其部件结构设计灵活、加工精度高、材料利用率高等优点而受到广泛关注。超快激光技术最近被引入合金制造。与传统的连续/长脉冲宽度激光器不同，飞秒激光器具有MW量级的峰值功率和超短脉冲宽度，它通过基于电子-声子散射的电子向原子核的能量转移来熔化金属，在局部区域引起温度急剧升高并快速融合粉末。仿真表明，飞秒激光照射的材料表面温度可以达到6000°C以上，使飞秒激光能够实现高熔点金属的完全熔化。Nie等于2015年首次尝试使用飞秒激光制备钨粉，其硬度（395 HV）高于传统制造方法制备的钨（300 HV）。Ullsperger等采用传统的连续波激光器和800 ps至500 fs不同脉冲持续时间的激光器制备了Al-40Si合金。飞秒激光制备Al-40Si合金具有70 μm宽的低熔池尺寸、1.1长宽比的高熔体穿透深度和0.54%的低空隙孔隙率，显示出巨大的潜力。飞秒激光的高冷却速率诱导了Al-Si合金内部的超细微观结构，促进了显微硬度的提高。Ji等利用飞秒激光制备了ZrNbMoTaW RHEA，利用合理的参数实现了组分间的互溶度，为飞秒激光的制备领域带来了飞秒激光。加强 RHEA 内部的贡献是由多种因素提供的。Cheng等研究了Al0.5（TiZrTaNbMo）RHEA的强化机制，其强度主要通过固溶强化和沉淀强化相结合的方式驱动，相应比例分别为51%和37%。Rajulapati等基于硬度数据和数值模型分析了使用火花等离子体烧结的MoNbTaTiW的强化贡献。然而，飞秒激光制备的RHEAs的强化因素尚未得到充分呈现，其强化机理也存在不足。

寻求一种新的方法，通过飞秒激光实现具有更高硬度和均匀微观结构的ZrNbMoTaW RHEA的制备。本研究报道，通过飞秒激光制备成功制备了相对密度高达99.45%、硬度高达565.7 HV的ZrNbMoTaW RHEA。研究了ZrNbMoTaW RHEA的晶粒尺寸、晶粒分布、位错密度和晶格参数，以期深入了解ZrNbMoTaW RHEA的微观结构与硬度之间的关系。基于微压痕的力学性能，突出了飞秒激光制备在驱动多种元素互溶度方面的优势，并结合温度场解释了ZrNbMoTaW RHEAs的微观结构形成过程和强化机理。本文全面了解了这种新型飞秒激光制造ZrNbMoTaW RHEAs中的各种强化机制。固溶体是确定为55.8%的调控机制，为设计适用于飞秒激光制造的坚韧ZrNbMoTaW RHEA提供了策略。

Experimental

采用球磨法混合纯度为99.5重量%的Nb、Mo、Ta、W和Zr粉末。混合粉末颗粒的形状不规则，如图1（a）所示。使用 ImageJ 软件测量混合粉末的粒径。共计50,000个颗粒进行计数，以确保粒度分布的准确性。混合粉末的单峰分布范围为3 μm（D10）至 51 μm（D90），平均直径为 12 μm （D50），如图1（b）所示。

采用红外飞秒激光器制备合金板材，激光波长为1035 nm，半个最大全宽为350 fs，重复频率为0.75 MHz。 飞秒激光制造在真空腔中进行，真空泵除去空气以消除氧气和氮气对合金的影响。并且腔内的压力保持在100 Pa。根据机械性能选择最佳加工参数。使用填充间距和扫描速度作为变量来建立显微硬度和加工参数之间的联系。飞秒激光制造的参数如下：激光功率密度为2.19×106宽/厘米2，扫描速度为1-10 mm/s，舱口间距为200-400 μm，重复处理两次。

Results and discussion

图2显示了ZrNbMoTaW RHEAs在优化域中不同加工参数下的硬度分布和孔隙率变化。如图2（a）所示，在扫描速度为5 mm/s、舱口间距为300 μm时，飞秒激光制备的ZrNbMoTaW RHEA硬度最高（565.7 HV）。ZrNbMoTaW RHEA的硬度误差均在5%以内。利用高能量输入（1 mm/s扫描速度和200 μm舱口间距）、中等能量输入（5 mm/s扫描速度和300 μm舱口间距）和低能量输入（10 mm/s扫描速度和400 μm舱口间距）三个典型参数来观察样品冶金区域的孔隙率变化（见图2（b）、（c）和（d））。黑色区域密集，白色区域有孔隙。中等能量输入具有最佳的样品密度（孔隙率 = 0.55%）。高能量密度导致该合金形成孔隙率高达8.04%的大孔隙，而低能量密度导致孔隙率为1.53%的小孔隙的出现。选取扫描速度为5 mm/s、孵化间距为300 μm的样品，在ZrNbMoTaW RHEA中建立微观结构与性能之间的联系。图3显示了样品的XRD图谱，其中晶格常数和晶格微应变由XRD计算得出。可以确认该样本中存在两个 BCC 相，其中 BCC1 占主导地位，BCC2 占低百分比。根据XRD计算，BCC1的晶格常数和晶格微应变分别为0.31554 nm和0.00177 nm，BCC2的晶格常数和晶格微应变分别为0.35212 nm和0.00161。

图4（a）显示了使用FIB制造样品表面的SEM图像。图4（b-d）分别显示了BCC1-BCC2相界面的HRTEM图像以及BCC1和BCC2相的相应SAEM模式。不同的简单BCC相分别对应于树突状和树突间区域，由XRD数据组成。图5（a-c）分别展示了飞秒激光制备的ZrNbMoTaW RHEAs的微观结构、元素分布和浓度，扫描速度为5 mm/s，舱口间距为300 μm。在图5（a）中，形状和尺寸不一致的枝晶构成了该合金的主要微观组织。枝晶（亮）和树突间区（暗）的晶体结构分别为BCC1和BCC2。大多数树突的直径小于3 μm。BCC1 和 BCC2 的面积分别为 92.1% 和 7.9%，通过 ImageJ 软件测量。Mo、W和Ta元素在枝晶中富集，Nb和Zr在枝间区域富集，如图5（c）所示。

含量高达92.1%的BCC1相主导了该合金的强度贡献，用于观察ZrNbMoTaW RHEA的晶粒参数和局部取向。ZrNbMoTaW RHEA的电子背散射衍射（EBSD）结果如图6所示，采用飞秒激光制备，扫描速度为5 mm/s，舱口间距为300 μm。从图6（a）中可以看出，晶粒尺寸在1-5μm范围内，平均尺寸为2.1μm。整个微观结构没有明显的优选取向（如图6（b）所示）。核平均取向错（KAM）图又称局部取向差分图，可用于定量反映几何必要位错的分布。局部取向错误如图6（c-d）所示），其中绿色线可视为错位。在图6（c）中，微观结构中存在大量位错。KAM的平均值为2.838°，如图6（d）所示。根据 ρ = 2KAM大道/μb ，其中 μ 是步长（0.4 μm），b 是 Burgers 向量（BCC1 为 0.305 nm），局部位错密度 （ρ） 高达 4.6×1016m−2.高位错密度可有效抑制位错运动，提高合金强度。ZrNbMoTaW RHEA的高位错密度是由于飞秒激光在材料的原子结构变化过程中引入了瞬时高温高压态，导致晶格畸变，增加了位错密度。图 7 显示了 BCC1 和 BCC2 期的 HRTEM 图像和相应的 IFFT 结果。在IFFT图像中，BCC1和BBC2相存在大量的晶格畸变和高位错密度，这与EBSD数据得到的微观结构相吻合。BCC1相的面间间距为0.2261 nm（晶格常数保持0.3198 nm），BCC2相的面间间距为0.2683 nm（晶格常数为0.3794 nm），其结果与XRD图谱的结果一致。这验证了BCC 相位的准确性。

根据上述微观结构分析，在飞秒激光制造的ZrNbMoTaW RHEA中鉴定出多元素粉末的熔化和熔融。飞秒激光器的单脉冲宽度远低于电子-声子耦合时间，这使得吸电子光子过程成为材料的主要能量吸收。根据我们之前的研究，本研究采用峰值功率为164 MW的飞秒激光激发ZrNbMoTaW RHEA金属粉末颗粒中电子对光子的非线性吸收效应，导致局部区域温度急剧升高，从而导致相邻粉末颗粒的聚变。最终的微观结构由热历史决定。采用红外热成像技术监测样品暴露表面的温度。相邻温度点之间的统计区间为0.04 s （f = 25 Hz）。如图 8（b）所示，加热速率在开始时迅速增加到 4000 K/s，然后在随后的热循环中波动在 1000 K/s 左右。冷却速度相对稳定，在制造过程中介于 2000 到 3000 K/s 之间。高冷却速率有利于更强的微观组织细化，从而增加晶界密度并增强硬度。

Conclusions

飞秒激光制备的ZrNbMoTaW RHEA表现出优异的成形性，硬度提高了565.7 HV，致密化率提高了99.5%。ZrNbMoTaW RHEA的微观结构特征呈现出BCC1和BCC2双相，平均晶粒尺寸为2.1 μm。超细微结构归因于飞秒激光诱导的高达3000 K/s的超高冷却速率。基于相关微观结构的展示，分析了ZrNbMoTaW RHEA强化机理的贡献。通过方程计算建立了微观结构与性能的关系。固溶强化在所有强化机制中占比55.8%，这是由多种组分的相互溶解度驱动的。硬度的显着提高归因于固溶强化，并补充了晶粒细化和高密度位错。飞秒激光加工为制备具有致密微观结构和增强硬度的 RHEA 提供了可能性，为实现耐火合金多相均匀分布和高性能提供了一种创新方法。

来自： AM home 增材制造之家

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