哈工大与军科院联合《Additive Manufacturing》：1200℃下261MPa屈服强度、15.1%延伸率！V诱导局部晶格畸变赋能激光增材制造Nb基难熔合金

第一作者：丁洁

通讯作者：Kaiju Lu，黄永江，Xiubing Liang

通讯单位：哈尔滨工业大学；军事科学院。

论文题目：Local-lattice distortion enables remarkable high-temperature strength and ductility in a Nb-based refractory alloy fabricated by laser powder bed fusion

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105404

1.全文速览

铌基难熔合金具有高熔点、适中密度和良好的高温性能，是航空航天热端部件的关键结构材料。激光粉末床熔融（LPBF）为复杂结构铌合金构件的近净成形提供了新途径，但在该工艺下同时实现良好的可打印性、强度与塑性仍是一大挑战：现有的激光粉末床熔融可成形铌合金中，C103合金室温及高温强度偏低，而依赖碳化物强化的Nb521合金在1200 ℃屈服后流动应力快速下降，表现出明显的热软化。

针对上述问题，哈尔滨工业大学与军事科学院合作团队以传统Cb752合金（Nb-10W-2.5Zr）为基础，保留10 wt.% W以维持高温承载能力，并以V替代Zr，提出V诱导局部晶格畸变（local-lattice distortion，LLD）的合金设计策略。结合Scheil非平衡凝固模拟与凝固裂纹敏感性计算，筛选出兼具低开裂倾向和良好强塑性的Nb-10W-5V合金。激光粉末床熔融成形并经1600 ℃/2 h真空热处理后，该合金为单相体心立方（BCC）组织，室温屈服强度约625 MPa、抗拉强度约739 MPa，较已报道的激光粉末床熔融制备的铌基合金屈服强度提高50%以上；在1200 ℃下仍保持约261 MPa的屈服强度和15.1%的断裂延伸率，在不含任何碳化物增强相的条件下，强度与碳化物强化的Nb521合金相当，延伸率提高约48%，并呈现出优异的抗高温软化能力。

透射电镜（TEM）分析表明，1200 ℃变形后合金中存在大量长直的螺位错，其作为稳定的塑性承载载体表明动态回复受到抑制。第一性原理计算进一步揭示了V诱导的局部晶格畸变、电荷密度重排和d轨道杂化提高了晶格摩擦应力，而多个滑移面上较低的不稳定层错能有利于位错形核与滑移。该研究建立了“V诱导局部晶格畸变—固溶强化—位错运动与层错能—高温强塑性”之间的关联，为开发激光粉末床熔融制备可打印且高强韧的铌基难熔合金提供了新的设计思路。

2.论文亮点

（1）本研究开发了一种适用于激光粉末床熔融（LPBF）成形的新型抗裂 Nb-10W-5V 合金。

（2）室温强度显著提升。热处理态Nb-10W-5V的室温屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为625 MPa、739 MPa和8.2%，该 Nb-10W-5V 合金的强度优于现有的先进同类难熔合金。

（3）1200 ℃强度与塑性协同。合金在1200 ℃下保持261 MPa屈服强度和15.1%总延伸率，在无碳化物条件下强度与碳化物强化Nb521相当、延伸率提高约48%；流动应力在约12%应变范围内几乎保持稳定，克服了传统铌合金屈服后的快速热软化。

（4）V 元素的加入加剧了局部晶格畸变，从而提高摩擦应力使合金得到强化。

3.图文解读

3.1凝固计算筛选低裂纹倾向合金

铌合金对间隙污染和快速凝固高度敏感，激光粉末床熔融工艺下的凝固裂纹是限制可打印性的关键。作者以Cb752合金为基础，对比考察了Nb-10W-5V、Nb-10W-2.5Zr（Cb752）、Nb-10W-2.5V和Nb-10W-5Zr四种候选合金。Scheil凝固路径显示四种合金均为单相BCC凝固，但凝固末端均出现大量二次偏析，倾向于增大凝固区间；凝固裂纹指数SCI（固相分数0.90–0.99区间）以Nb-10W-5V最低，仅为14671，且随凝固进程保持最小。Clyne与Kou凝固裂纹敏感性（SCS）计算进一步表明，Nb-10W-5V的SCS分别低至1.44和1.53×10⁴，低于商用Cb752以及其他三种候选合金；与已有可打印参考合金相比，其Clyne指标低于激光粉末床熔融增材制造的Nb521、接近C103，预示其具备良好的LPBF可打印性。

候选合金的非平衡凝固行为与凝固裂纹敏感性计算。(a) Scheil凝固路径；(b) 凝固裂纹指数SCI随固相分数的变化；(c) 凝固末端放大；(d) Clyne与Kou凝固裂纹敏感性（SCS）对比，C103、Nb521作为可打印参考合金。

3.2室温与1200 ℃强塑性能匹配

经1600 ℃/2 h真空热处理后，Nb-10W-5V与激光粉末床熔融制备的Nb521合金在室温和1200 ℃下进行了单轴拉伸对比。室温下，Nb-10W-5V屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为625±5.4 MPa、739±3.2 MPa和8.2±1.3%，较Nb521的屈服强度和抗拉强度分别提高50.8%和17.2%，仅总延伸率略有降低。在1200 ℃下，Nb-10W-5V屈服强度和抗拉强度分别为261±4.3 MPa和262±4.7 MPa，总延伸率达15.1±2.5%，与Nb521强度相当，而延伸率较Nb521提高约48%。值得注意的是，Nb521在屈服后流动应力迅速下降，而Nb-10W-5V在约12%应变范围内流动应力几乎保持稳定，表明其具有显著的抗高温软化能力。

与已报道的增材/变形铌基合金及难熔高熵合金对比，Nb-10W-5V在室温下具有明显更高的屈服强度；在1200 ℃下，其比屈服强度与Nb521相当，并高于多数已报道的铌基合金及难熔高熵合金，实现了高温强度与塑性的良好匹配。

Nb-10W-5V与Nb521合金在(a)室温和(b) 1200 ℃下的典型工程应力-应变曲线。

Nb-10W-5V与已报道增材/变形铌基合金及难熔高熵合金在(a)室温和(b) 1200 ℃下的力学性能对比，(b)同时给出比屈服强度随密度的变化。

3.3 LPBF热处理态的多尺度组织

电子背散射衍射（EBSD）结果显示，热处理态Nb-10W-5V在XY面以等轴晶为主，平均晶粒尺寸约22.65 μm，在XZ面则为柱状晶，晶粒长宽比约2.53；XY面与XZ面的平均核平均取向差（KAM）值分别为1.03°和0.8°，表明LPBF非平衡凝固引入了高密度几何必需位错。明场TEM进一步观察到晶粒内部存在位错墙和胞状位错等典型LPBF位错亚结构，这些亚结构在后续热处理中仍得以保留。[111]带轴的选区电子衍射（SAED）花样仅显示BCC衍射斑点，表明合金为单相BCC组织；X 射线衍射结果（补充材料）表明其晶格常数为3.278 Å，且衍射峰向高角度偏移，进一步印证了W、V固溶引起的晶格畸变。

热处理态LPBF Nb-10W-5V合金的组织。(a-b) XY面与XZ面的反极图（IPF）图；(c) XY面晶粒尺寸分布；(d) XZ面晶粒长宽比分布；(e-f) XY面与XZ面的KAM图；(g-i) 明场TEM形貌，显示位错墙与胞状位错，(i)中插图为[111]带轴SAED花样。

3.4温度依赖的变形机制

拉伸断裂后试样纵截面的EBSD显示，1200 ℃变形后试样的平均KAM值为1.46°，高于室温变形后的0.95°，说明高温下累积了更多的局部取向差和塑性变形。室温拉伸断裂后通过TEM可观察到密集的平面滑移带、位错胞与位错缠结以及蜂窝状位错网络，反映出室温下以位错滑移和位错相互作用为主的变形特征。

在1200 ℃断后试样中，作者观察到大量长而直的位错，其大多为a0/2〈111〉螺位错，通过不同双束衍射条件下的g·b分析识别出两组不同的伯氏矢量。在常规动态回复充分的高温变形中，螺位错通常会快速交滑移和攀移；但在本合金中，这些长直螺位错在断裂后仍稳定存在，说明V、W溶质原子的拖拽作用抑制了动态回复，使位错能够持续承载，从而抑制了屈服后的流动应力下降。

室温与1200 ℃断后Nb-10W-5V合金的代表性EBSD结果。(a,b) IPF图；(c,d) KAM图。

Nb-10W-5V合金室温断后的代表性TEM形貌。(a) 平面滑移带；(b,c)位错胞与位错缠结；(d) 蜂窝状位错网络。

Nb-10W-5V合金1200 ℃断后的TEM表征。(a-d)不同双束衍射条件下的明场像，识别出两组a0/2〈111〉螺位错；(e) 位错组态；(f) 位错类型示意图。

3.5高强度的定量来源与局部晶格畸变

为了解高强度的来源，作者将屈服强度分解为固溶强化、晶界强化和位错强化三项进行定量估算。结果表明，Nb-10W-5V的固溶强化贡献约352.2 MPa（占57%），位错强化约193.6 MPa（占31%），晶界强化约71.4 MPa（占12%），计算得到的屈服强度约617.2 MPa，与实验值625 MPa高度吻合；而Nb521的固溶强化贡献仅约159.3 MPa，前者是其两倍以上，充分体现了W/V协同固溶与位错亚结构的强化作用。

第一性原理计算表明，V的原子半径和弹性模量均明显小于Nb，可在晶格内产生强烈的局部晶格畸变（LLD）：Nb-10W-5V的平均原子位移约0.047 Å，高于Nb-10W的0.033 Å和Nb521的0.023 Å，也高于多数已报道的难熔合金/高熵合金。高度局部化的畸变既提高了溶质原子的位错钉扎能力，又因未达到破坏滑移面连续性的程度而兼顾了塑性，这为通过LLD工程实现高强与高韧的平衡提供了原子尺度依据。

Nb-10W-5V与Nb521合金室温屈服强度中固溶强化、晶界强化、位错强化以及Nb521析出强化贡献的计算对比。

W、V溶质在Nb基体中诱导的原子尺度晶格畸变。(a) 理想BCC Nb晶格、Nb-10W晶格与Nb-10W-5V晶格的原子位移场；(b) Nb521、Nb-10W与Nb-10W-5V的局部晶格畸变对比；(c) 与已报道难熔合金及难熔高熵合金的局部晶格畸变比较。

3.6电子结构、层错能与本征塑性

(110)面的二维电荷密度及三维差分电荷密度显示，Nb-10W-5V中W、V周围出现明显的电荷密度重排，W原子周围聚集更多电子，相邻Nb原子电子密度降低，形成了明显的键合强度差异；同时W-V和W-Nb键合区域存在电子聚集，表明形成了局部强键。态密度（DOS）结果显示，费米能级附近出现宽度约2.262 eV的赝能隙，且W的d轨道与Nb的d轨道发生明显杂化，增强了晶格摩擦应力，有助于提高强度。

在塑性方面，Nb-10W-5V在{110}、{112}和{123}三个BCC主要滑移面上的不稳定层错能γusf均低于Nb521，且各滑移面之间差异较小，有利于位错在多个滑移面上形核与开动。Rice参数D（γsurf/γusf）计算显示，Nb-10W-5V在三个滑移面上的D值分别为3.09、3.05和2.94，高于Nb521、MoReW以及NbTaW、NbTaMoW、NbTaMoWV等脆性难熔高熵合金，表明其具有更高的本征塑性。这解释了该合金在1200 ℃下多滑移面充分开动、位错长程运动而不易萌生裂纹的原因。

Nb-10W-5V与Nb521合金的电子结构。(a,b) (110)面的二维电荷密度；(c,d) 三维差分电荷密度等势面，黄色表示电子聚集、青色表示电子耗尽。

Nb-10W-5V合金的总态密度（TDOS）与分波态密度（PDOS）。

Nb-10W-5V与Nb521合金在(a) {110}、{112}、{123}三个BCC滑移面上的不稳定层错能γusf对比，以及(b) 关键性能参数雷达图

Nb-10W-5V与Nb521及其他BCC难熔合金在(a) {110}、(b) {112}、(c) {123}滑移面上的Rice参数D（γsurf/γusf）对比。

4.总结与展望

（1）提出了V诱导局部晶格畸变的合金设计策略。以Cb752为基础保留10 wt.% W、以V替代Zr，结合Scheil凝固模拟与凝固裂纹敏感性计算，证实V可有效降低凝固裂纹敏感性，获得了无裂纹、含典型位错亚结构的Nb-10W-5V合金。

（2）实现了室温与1200 ℃下的强度-塑性协同。合金在1200 ℃屈服后流动应力近恒定、延伸率达15.1%，克服了传统碳化物强化铌合金的快速热软化问题，且在室温下保持了约625 MPa的屈服强度。

（3）揭示了高强度的定量来源。W/V协同固溶强化与位错亚结构共同贡献了主要强度，为超越传统碳化物强化、实现不依赖碳化物的高温承载提供了新路径。

（4）阐明了温度依赖的变形机制。室温下以平面滑移、位错胞和位错缠结为主；1200 ℃下长直螺位错稳定承载，溶质原子的拖拽作用抑制了动态回复，实现了稳定的高温塑性流动。

（5）第一性原理计算表明，V诱导的局部晶格畸变、电荷密度重排和d轨道杂化增强了晶格摩擦，而多个滑移面上较低的不稳定层错能有利于位错形核与滑移，为高强度与高塑性的协同提供了电子结构基础。

总体而言，该工作证明通过局部晶格畸变工程在固溶强化与位错运动能力之间取得平衡，可在不依赖碳化物的前提下实现激光粉末床熔融制备的铌合金可打印性、强度和塑性的协同，为下一代极端高温环境用难熔合金的设计提供了可推广的策略框架。

5.作者介绍

通讯作者：黄永江，哈尔滨工业大学教授，工学博士，博士生导师，精密热成形全国重点实验室副主任，英国皇家学会牛顿学者，全球前2%顶尖科学家，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料（包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、凝固理论及铸造装备、液态金属等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文270余篇，被Science等权威杂志引用8520余次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引7篇，3篇入选封面论文，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，H因子46，申请国家发明专利82 件，授权55件，担任8个国际期刊副主编/编委/青年编委。

第一作者：丁洁，哈尔滨工业大学与军事科学院联合培养硕士生，主要从事难熔合金的极端环境服役行为研究，参与高性能难熔/高熵合金成分设计与增材制造工艺优化项目以及耐高温纳米陶瓷颗粒增强合金强韧调控等项目。

6. 引用本文

Jie Ding, Kaiju Lu, Yanbo Zhang, Kaixin Wang, Xu Li, Jugan Zhang, Jie Wang, Yongjiang Huang, Xiubing Liang. Local-lattice distortion enables remarkable high-temperature strength and ductility in a Nb-based refractory alloy fabricated by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 2026, 105404.

https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105404

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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