西安交通大學李滌塵教授團隊：通過激光熔覆沉積制備Ni-NbMoTa高熵合金復合材料的周期性多層功能梯度結構 | AMF論文推薦

引用論文

Hang Zhang, Xiaoyu Sun, Yaoyao He, Yizhen Zhao, Zihao Chen, Xin Guo, Qingyu Li, Shaokun Ji, Dichen Li. Periodic Multilayer Functionally Graded Structure of Ni-NbMoTa High-Entropy Alloy Composition Materials via Laser Cladding Deposition. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 5, Issue 1, 2026, 200255.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200255.

文章鏈接：

1研究背景及目的

難熔高熵合金（HEAs）因其優異的高溫性能和力學性能，在航空航天等領域具有廣闊前景，但普遍存在脆性大、加工困難及裂紋易形成等問題。功能梯度材料（FGMs）通過成分或組織的連續變化，可有效改善材料性能與結構匹配，是解決上述問題的重要途徑。基于此，本研究采用激光熔覆沉積（LCD）分層打印策略制備Ni-NbMoTa功能梯度材料，旨在構建三維梯度結構，揭示顯微組織和相組成特征，并系統評價力學性能，從而闡明Ni在改善加工性、細化晶粒及提升強韌性中的作用。

2論文亮點

(1) 首次提出并驗證了基于激光熔覆沉積（LCD）的分層打印策略，成功構建Ni-NbMoTa功能梯度材料，實現了裂紋抑制與組織均勻化。

(2) 發現Ni的引入促進了晶粒細化和BCC/FCC雙相固溶體形成，顯微硬度隨Ni含量增加而提升。

(3) 材料在室溫下表現出優異的綜合力學性能，屈服強度1096 MPa、抗壓強度1445.4 MPa、壓縮應變18.2%，顯著優于單一NbMoTa合金。

圖1 梯度結構打印方法圖

圖2 打印1層Ni，m層NbMoTa時截面形貌圖

圖3 成型樣件實物圖

3試驗方法

本研究采用西安交通大學自主研發的DED-1000B激光熔覆沉積系統進行實驗，系統配置光纖激光器（最大功率1000 W，波長1064 nm，光斑直徑0.5 mm）和雙筒送粉器。沉積過程中，采用氬氣保護，氧含量控制在80 ppm以下，基體為尺寸為20 mm × 60 mm的Mo棒，并在沉積前預熱至800 ℃以減小熱應力。Ni與NbMoTa合金粉末分別作為原料，粉末粒徑45–105 μm，其中Nb、Mo、Ta粉末按等原子比混合4 h制備NbMoTa粉末。沉積過程中采用分層打印策略，即在一個Ni層與m個NbMoTa層（m = 1–4）交替沉積，以獲得不同梯度結構。所得樣品經線切割取樣后，采用XRD、SEM、EBSD和TEM進行相組成與組織表征，并利用顯微硬度儀和室溫壓縮實驗對力學性能進行測試。

4結果

本研究采用激光熔覆沉積（LCD）分層打印策略，成功制備了Ni-NbMoTa功能梯度材料。顯微組織分析表明，梯度過渡區未出現宏觀或微觀裂紋，組織均勻穩定，晶粒平均尺寸約20 μm，樹枝晶臂間距約3 μm，呈現明顯的晶粒細化特征。XRD結果顯示材料由體心立方（BCC）與面心立方（FCC）雙相固溶體組成，并在界面處形成錯配位錯，有效阻礙位錯運動。性能測試結果表明，該材料的顯微硬度達到584.5 ± 39.3 HV，并隨Ni含量的增加而顯著提高。力學性能方面，室溫下屈服強度、抗壓強度和壓縮應變分別為1096 MPa、1445.4 MPa和18.2%，相比單一NbMoTa合金（976 MPa、1061.7 MPa、13.2%）在強度和塑性上均實現了明顯提升。結果表明，Ni的引入不僅改善了材料的成形性，還在組織調控與性能提升方面發揮了關鍵作用，為高性能功能梯度高熵合金的設計與應用提供了有力支持。

圖4 相圖計算結果與對應的形貌圖：(a) NbMoTa; (b) Ni-NbMoTa

圖5 Ni-NbMoTa 高熵合金功能梯度材料的組織結構：（a）Ni-NbMoTa 高熵合金功能梯度材料梯度結合區的 EDS 圖像；（b）BCC 和 FCC 相的明場 TEM 微觀圖像；（c）BCC 和 FCC 相界面處的選區電子衍射（SAED）圖樣

圖6 Ni-NbMoTa和NbMoTa的抗壓強度圖

5結論

本研究通過激光熔覆沉積（LCD）分層打印策略，成功制備了Ni-NbMoTa功能梯度材料。結果表明，Ni的引入有效抑制了裂紋與孔隙的形成，使梯度過渡區結構致密，組織均勻穩定，并呈現出晶粒細化效應（平均晶粒尺寸約20 μm，樹枝晶臂間距約3 μm）。材料形成了穩定的BCC+FCC雙相固溶體，界面錯配位錯對位錯運動起到阻礙作用。性能測試顯示，顯微硬度最高達到584.5 ± 39.3 HV；室溫下屈服強度、抗壓強度和壓縮應變分別為1096 MPa、1445.4 MPa和18.2%，較NbMoTa合金有顯著提升。研究表明，Ni在改善可制造性、促進組織優化和提升綜合力學性能方面發揮了關鍵作用，為高性能功能梯度高熵合金的設計與航空航天應用提供了新思路。

6前景與應用

本研究制備的Ni-NbMoTa功能梯度材料兼具高強度與良好塑性，為解決難熔高熵合金加工困難與脆性問題提供了新思路。該材料在航空航天、核能及高溫結構件等極端服役環境中具有廣闊應用前景。同時，所提出的分層打印策略對多組元合金梯度結構的設計與制造具有普適意義，為發展新一代高性能功能梯度材料奠定了基礎。

關于團隊

作者介紹

李滌塵(團隊帶頭人)，西安交通大學，精密微納制造技術全國重點實驗室主任，教授、博士生導師。自1993年博士畢業后從事增材制造(3D打印)技術的基礎研究與工程應用工作，擔任精密微納制造技術全國重點實驗室主任，兼任中國機械工程學會特種加工分會副主任委員，中國機械工程學會增材制造(3D打印)分會總干事。2006年受聘長江學者特聘教授2004年獲得第八屆中國青年科技獎，2005年獲得中國優秀博士后稱號，2000年獲得全國高校青年教師獎，獲得“國務院特殊津貼”，發表400余篇論文，獲得國家發明專利180余項，2014年獲得國家技術發明獎二等獎(第一獲獎人)，2000年獲得國家科技進步二等獎(第二獲獎人)，2017年獲得首屆“全國創新爭先”獎狀。

張航(第一作者)，西安交通大學機械學院 教授、博士生導師，中國機械工程學會高級會員。主要研究方向：增材制造、智能制造、激光加工。主持及參與國家級項目10多項，獲中國科協青年人才托舉工程資助。任《機械工程學報》等期刊青年編委，發表SCI論文50多篇，其中第一或者通訊作者論文20多篇，授權國家發明專利20多項，獲軟件著作權6項，著作3部。

近年團隊發表文章

[1] H. Zhang, J. Cai, J. Geng, X. Sun, Y. Zhao, X. Guo, D. Li, Development of high strength high plasticity refractory high entropy alloy based on Mo element optimization and advanced forming process, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 112 (2023).

[2] H. Zhang, J. Cai, J. Geng, X. Sun, Y. Zhao, X. Guo, D. Li, Study on annealing treatment of NbMoTaTiNi high-entropy alloy with ultra-high strength disordered-ordered transition structure for additive manufacturing, Journal of Alloys and Compounds, 941 (2023).

[3] J. Cai, H. Zhang, L. Wang, X. Sun, X. Xu, X. Guo, D. Li, Design and coherent strengthening of ultra-high strength refractory high entropy alloys based on laser additive manufacturing, Materials Science and Engineering: A, 886 (2023).

[4] Y. Zhao, H. Zhang, J. Cai, X. Sun, L. Wang, X. Xu, X. Guo, Z. Tong, D. Li, An efficient pores suppression process design method for high strength BCC high entropy alloys via powder bed fusion, Journal of Manufacturing Processes, 101 (2023) 371-385.

[5] H. Zhang, X. Sun, X. Xu, F. Zhao, J. Cai, X. Guo, Z. He, D. Li, Numerical simulation of surface structures in single and multi-track laser polishing of Ni P alloy, Journal of Manufacturing Processes, 132 (2024) 404-415.

[6]李滌塵,張航,蔡江龍.難熔高熵合金激光增材制造的發展：材料性能與制造工藝調控技術（特邀）[J].中國激光,2024,51(01):153-168.

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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