Структура и свойства тугоплавкого композиционно-сложного сплава Ti–Nb–Zr, полученного в процессе прямого лазерного выращивания
https://doi.org/10.17073/0021-3438-2026-1-69-80
Аннотация
Исследование посвящено изучению микроструктуры и механических свойств тугоплавкого композиционно-сложного сплава Ti2NbZr, впервые полученного методом прямого лазерного выращивания (ПЛВ) из порошка заданного химического состава. Определены оптимальные параметры процесса ПЛВ, в частности мощность лазера (1600 Вт), обеспечившая минимальную пористость (0,031 %). Анализ выявил формирование однофазной ОЦК-структуры, гетерогенной по строению: крупные столбчатые зерна чередуются с прослойками мелких равноосных. Средний размер зерна уменьшался с увеличением высоты образца. Результаты механических испытаний свидетельствуют о сочетании высоких прочности и пластичности сплава: предел текучести ~810 МПа, временное сопротивление ~815 МПа, относительное удлинение после разрыва – 16 %. Теоретическая оценка вклада механизмов упрочнения показала хорошее согласие с экспериментом. Установлено, что основной вклад в прочность материала вносит твердорастворное упрочнение. Результаты исследования подтверждают перспективность использования ПЛВ для изготовления высококачественных изделий из сплава Ti2NbZr с механическими свойствами, превышающими аналоги, полученные традиционными и аддитивными технологиями.
Ключевые слова
Об авторах
И. В. КрасановРоссия
Игорь Владиславович Красанов – аспирант, инженер отдела тестирования материалов Института лазерных и сварочных технологий (ИЛиСТ)
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
А. Д. Евстифеев
Россия
Алексей Дмитриевич Евстифеев – к.ф.-м.н., вед. инженер отдела исследований и разработки новых материалов, ИЛиСТ
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
Н. Р. Алымов
Россия
Николай Романович Алымов – аспирант, инженер технологического отдела отделения аддитивных технологий, ИЛиСТ
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
С. С. Шабунина
Россия
Софья Сергеевна Шабунина – магистр, инженер отдела тестирования материалов, ИЛиСТ
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
М. А. Жилина
Россия
Марина Андреевна Жилина – аспирант, инженер лаборатории инновационных технологий и механики разрушения, ИЛиСТ
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
У. С. Королева
Россия
Ульяна Сергеевна Королева – студентка факультета естественных наук
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
Н. Д. Степанов
Россия
Никита Дмитриевич Степанов – к.т.н., начальник отдела дизайна металлических материалов, ИЛиСТ
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
Н. Ю. Юрченко
Россия
Никита Юрьевич Юрченко – к.т.н., ст. науч. сотрудник отдела дизайна металлических материалов, ИЛиСТ
198095, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр-т, 101
Список литературы
1. Gorsse S., Couzinié J.P., Miracle D.B. From highentropy alloys to complex concentrated alloys. Comptes Rendus Physique. 2018;19(8):721—736. https://doi.org/10.1016/j.crhy.2018.09.004
2. Senkov O.N., Wilks G.B., Scott J.M., Miracle D.B. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics. 2011;19(5):698—706. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.01.004
3. Wan Y., Cheng Y., Chen Y., Zhang Z., Liu Y., Gong H., Shen B., Liang X. A nitride-reinforced NbMoTaWHfN refractory high-entropy alloy with potential ultra-high-temperature engineering applications. Engineering. 2023;30:110—120. https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.008
4. Yurchenko N., Mirontsov V., Mishunina E., Kochura E., Stepanov N. A novel refractory complex concentrated alloy with ultra-high strength at 1200 °C. Scripta Materialia. 2026;271:116982. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116982
5. Yurchenko N., Mishunina E., Kochura E., Mirontsov V., Kapustin D., Shalnova S., Evlashin S., Stepanov N. Design of refractory complex concentrated alloys combining good tensile strength and ductility at 22—1000 °C. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2025;132:107247. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107247
6. Zhang C., Wang H., Wang X., Tang Y.T., Yu Q., Zhu C., Xu M., Zhao S., Kou R., Wang X., MacDonald B.E., Reed R.C., Vecchio K.S., Cao P., Rupert T.J., Lavernia E.J. Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability. Acta Materialia. 2023;245:118602. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118602
7. Cook D.H., Kumar P., Payne M.I., Belcher C.H., Borges P., Wang W., Walsh F., Li Z., Devaraj A., Zhang M., Asta M., Minor A.M., Lavernia E.J., Apelian D., Ritchie R.O. Kink bands promote exceptional fracture resistance in a NbTaTiHf refractory medium-entropy alloy. Science. 2024;384(6692):178—84. https://doi.org/10.1126/science.adn2428
8. Zeng S., Zhu Y., Li W., Zhang H., Zhang H., Zhu Z. A single-phase Ti3Zr1.5NbVAl0.25 refractory high entropy alloy with excellent combination of strength and toughness. Materials Letters. 2022;323:132548. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132548
9. Gorr B., Müller F., Schellert S., Christ H.J., Chen H., Kauffmann A., Heilmaier M. A new strategy to intrinsically protect refractory metal based alloys at ultra high temperatures. Corrosion Science. 2020;166:108475. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108475
10. Piscopo G., Iuliano L. Current research and industrial application of laser powder directed energy deposition. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;119(11):6893—6917. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08596-w
11. Dobbelstein H., Thiele M., Gurevich E.L., George E.P., Ostendorf A. Direct metal deposition of refractory high entropy alloy MoNbTaW. Physics Procedia. 2016;83: 624—633. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.065
12. Dobbelstein H., Gurevich E.L., George E.P., Ostendorf A., Laplanche G. Laser metal deposition of a refractory TiZrNbHf Ta high-entropy alloy. Additive Manufacturing. 2018;24:386—390. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.10.008
13. Moorehead M., Bertsch K., Niezgoda M., Parkin C., Elbakhshwan M., Sridharan K., Zhang C., Thoma D., Couet A. High-throughput synthesis of Mo—Nb—Ta—W high-entropy alloys via additive manufacturing. Materials & Design. 2020;187:108358. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108358
14. Gou S., Gao M., Shi Y., Li S., Fang Y., Chen X., Chen H., Yin W., Liu J., Lei Z., Wang H. Additive manufacturing of ductile refractory high-entropy alloys via phase engineering. Acta Materialia. 2023;248:118781. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118781
15. Zhang Y., Wang H., Zhu Y., Zhang S., Cheng F., Yang J., Su B., Yang C. High specific yield strength and superior ductility of a lightweight refractory high-entropy alloy prepared by laser additive manufacturing. Additive Manufacturing. 2023;77:103813. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103813
16. Preisler D., Krajňák T., Janeček M., Kozlík J., Stráský J., Brázda M., Džugan J. Directed energy deposition of bulk Nb—Ta—Ti—Zr refractory complex concentrated alloy. Materials Letters. 2023;337:133980. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.133980
17. Cui D., Guo B., Yang Z., Liu X., Wang Z., Li J., Wang J., He F. Unraveling microstructure and mechanical response of an additively manufactured refractory TiVHfNbMo high-entropy alloy. Additive Manufacturing. 2024;84:104126. https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104126
18. Zhang Y., Qin B., Ouyang D., Liu L., Feng C., Yan Y., Ye S., Ke H., Chan K.C., Wang W. Strong yet ductile refractory high entropy alloy fabricated via additive manufacturing. Additive Manufacturing. 2024;81:104009. https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104009
19. Yang Q., Cai X., Huang L., Dong P., Ren C., Zhou Y., Li J., Shuai M. High strength-ductile lightweight Al— Ti—Zr—Nb—Ta refractory high-entropy alloy via laser directed energy deposition. Materials Science and Engineering: A. 2025;924:147831. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147831
20. Li Y., Yang Y., Xie J., Chen L., Zhang X. Effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties of AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory high-entropy alloy prepared by laser metal deposition. Materials Science and Engineering: A. 2025;942:148734. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.148734
21. Li J., Wang C., Wang T., Wang W., Chai L., Luo J. High-temperature wear mechanisms and oxidation properties of MoNbTaWTi refractory high entropy alloy prepared by direct laser deposition. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2025;128:107025. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.107025
22. Cui D., Zhang S., Wang S., Bai X., Li C, Chen J, Wei B., Hou K., Ramaurty U., Wang J., He F. Processing defects and damage mechanisms in refractory high-entropy alloys additively manufactured via directed energy deposition. Journal of Materials Science & Technology. 2026;258:170—186. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.09.034
23. Senkov O.N., Rao S., Chaput K.J., Woodward C. Compositional effect on microstructure and properties of NbTiZr-based complex concentrated alloys. Acta Materialia. 2018;151:201—215. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.03.065
24. Yurchenko N., Panina E., Zherebtsov S., Stepanov N. Design and characterization of eutectic refractory high entropy alloys. Materialia. 2021;16:101057. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101057
25. Eleti R.R., Stepanov N., Yurchenko N., Zherebtsov S., Maresca F. Cross-kink unpinning controls the mediumto high-temperature strength of body-centered cubic NbTiZr medium-entropy alloy. Scripta Materialia. 2022;209:114367. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114367
26. An Y., Liu Y., Liu S., Zhang B., Yang G., Zhang C., Tan X., Ding J., Ma E. Additive manufacturing of a strong and ductile oxygen-doped NbTiZr medium-entropy alloy. Materials Futures. 2025;4(1):015001. https://doi.org/10.1088/2752-5724/ad8df2
27. Yan X., Zhang Y. A body-centered cubic Zr50Ti35Nb15 medium-entropy alloy with unique properties. Scripta Materialia. 2020;178:329—333. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.11.059
28. Chen Y., Xu Z., Wang M., Li Y., Wu C., Yang Y. A singlephase V0.5Nb0.5ZrTi refractory high-entropy alloy with outstanding tensile properties. Materials Science and Engineering: A. 2020;792:139774. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139774
29. Senkov O.N., Scott J.M., Senkova S.V., Miracle D.B., Woodward C.F. Microstructure and room temperature properties of a high-entropy TaNbHfZrTi alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2011;509(20):6043— 6048. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.02.171
30. Senkov O.N., Rao S.I., Butler T.M., Daboiku T.I., Chaput K.J. Microstructure and properties of Nb—Mo—Zr based refractory alloys. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2020;92:105321. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105321
31. Cordero Z.C., Knight B.E., Schuh C.A. Six decades of the Hall—Petch effect — a survey of grain-size strengthening studies on pure metals. International Materials Reviews. 2016;61(8):495—512. https://journals.sagepub.com/doi/10.1080/09506608.2016.11918
Рецензия
Для цитирования:
Красанов И.В., Евстифеев А.Д., Алымов Н.Р., Шабунина С.С., Жилина М.А., Королева У.С., Степанов Н.Д., Юрченко Н.Ю. Структура и свойства тугоплавкого композиционно-сложного сплава Ti–Nb–Zr, полученного в процессе прямого лазерного выращивания. Известия вузов. Цветная металлургия. 2026;32(1):69-80. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2026-1-69-80
For citation:
Krasanov I.V., Evstifeev A.D., Alymov N.R., Shabunina S.S., Zhilina M.A., Koroleva U.S., Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu. Microstructure and mechanical properties of a refractory Ti–Nb–Zr complex concentrated alloy produced by laser-based directed energy deposition (DED-LB). Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2026;32(1):69-80. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2026-1-69-80
JATS XML



























