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增材制造（AM）主要用于工程應(yīng)用，可逐層生產(chǎn)網(wǎng)狀構(gòu)件。在包括鋼、鈷或鎳基高溫合金、鋁合金、鈦合金和高熵合金(HEAs)在內(nèi)的金屬材料中，增材制造經(jīng)常會產(chǎn)生具有高度非均勻晶粒幾何形狀、亞晶粒位錯結(jié)構(gòu)和化學(xué)偏析的顯微組織。共晶HEAs (EHEAs)是一類很有前途的多主元合金(也稱為成分復(fù)雜合金)，它可以形成分層的雙相片層集落微觀組織，從而為獲得優(yōu)異的力學(xué)性能提供了巨大的潛力。
雖然高熵合金應(yīng)用前景廣闊，但是共晶高熵合金制備過程中仍存在以下問題：1、常規(guī)方法制備高熵合金強(qiáng)度差采用常規(guī)凝固方法，EHEAs的片層厚度通常在微米或亞微米范圍內(nèi)，這限制了EHEAs的強(qiáng)度。相比之下，納米層和納米層金屬會表現(xiàn)出更高強(qiáng)度。通過激光粉末床熔合 (L-PBF)增材制造金屬合金涉及大溫度梯度和快速冷卻，這使得納米級的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。然而，通過激光增材制造生產(chǎn)的高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)合金往往延展性有限，限制了實(shí)際應(yīng)用。有鑒于此，美國馬薩諸塞大學(xué)Wen Chen和佐治亞理工學(xué)院Ting Zhu等人合作，利用激光粉末床融合(L-PBF)的極端打印條件和HEAs的有利成分效應(yīng)，在AlCoCrFeNi2.1 EHEA中以嵌入共晶團(tuán)中的雙相納米層的形式產(chǎn)生了一種獨(dú)特的遠(yuǎn)平衡微觀結(jié)構(gòu)。這種增材制造的(AM) EHEA顯示了強(qiáng)度和延展性的良好結(jié)合，以及近乎各向同性的力學(xué)行為。作者解析了高屈服強(qiáng)度和大的拉伸延展性的根源。本工作對增材制造的HEA變形行為的機(jī)理見解對于開發(fā)具有卓越力學(xué)性能的分級、雙相和多相納米結(jié)構(gòu)合金具有廣泛的意義。
1、開發(fā)了L-PBF制備致密EHEA的方法作者使用歸一化等效能量密度方法，確定了L-PBF打印完全致密AlCoCrFeNi2.1 EHEA樣品的工作窗口，通過調(diào)整參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)納米層狀結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性的調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了各種具有代表性的工程組件的制備。作者對樣品的力學(xué)性能進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，與鑄態(tài)相比，AM AlCoCrFeNi2.1 EHEAs具有遠(yuǎn)高于鑄態(tài)試樣的拉伸屈服強(qiáng)度和高的應(yīng)變硬化率，表現(xiàn)出大的均勻拉伸率。作者通過研究合金的構(gòu)效關(guān)系，明確了EHEA的高屈服強(qiáng)度是由L-PBF的雙相納米層狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，并通過高密度的印刷引起的位錯進(jìn)一步增強(qiáng)。同時(shí)是通過研究晶格應(yīng)變響應(yīng)的不同階段分析了納米層狀共晶結(jié)構(gòu)中的硬化行為。高屈服強(qiáng)度源于交替的面心立方和體心立方納米薄片組成的雙相結(jié)構(gòu)的強(qiáng)強(qiáng)化作用，體心立方納米薄片比面心立方納米薄片表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和更高的硬化率。大的拉伸延展性是由于嵌入在微尺度共晶團(tuán)中的雙相納米薄片形式的分層微觀結(jié)構(gòu)的高加工硬化能力，其具有幾乎隨機(jī)的取向以促進(jìn)各向同性的力學(xué)性能。1、實(shí)現(xiàn)了高屈服強(qiáng)度和大拉伸率的良好結(jié)合本工作中制備的合金具有1.3 GPa的高屈服強(qiáng)度和約14%的大均勻伸長率，遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有的最先進(jìn)的增材制造金屬合金。2、解析了高屈服強(qiáng)度及延展性起源，為合金開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)作者通過構(gòu)效關(guān)系分析解析了合金高屈服強(qiáng)度和延展性的起源，本工作對增材制造的HEA變形行為的機(jī)理見解對于開發(fā)具有卓越力學(xué)性能的分層、雙相和多相納米結(jié)構(gòu)合金具有廣泛的意義。L-PBF的異質(zhì)納米層結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生大的局部塑性應(yīng)變梯度，導(dǎo)致強(qiáng)烈的背應(yīng)力硬化。塑性屈服始于fcc相，而 bcc 相保持彈性。來自彈性體心立方相的幾何約束可能導(dǎo)致層狀界面附近出現(xiàn)強(qiáng)烈的局部塑性應(yīng)變梯度，并通過位錯（GND）來適應(yīng)。在fcc/bcc界面附近持續(xù)增加GND，會產(chǎn)生強(qiáng)大的背應(yīng)力，從而提高 AM EHEA的流動應(yīng)力，這是傳統(tǒng)的熱處理無法實(shí)現(xiàn)的。由于激光加工固有的大參數(shù)空間，實(shí)現(xiàn)對 AM 材料中凝固微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的合理控制具有挑戰(zhàn)性。作者使用歸一化等效能量密度方法，確定了一個(gè)有效的 L-PBF工作窗口來之別完全致密的AlCoCrFeNi2.1EHEA 樣品。通過調(diào)整激光功率和掃描速度，能夠?qū)訝詈穸葴p少到數(shù)十納米。盡管樣品的微觀結(jié)構(gòu)相似，但通過更精細(xì)的納米層表征證明了納米層狀結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性的可調(diào)性。此外，實(shí)現(xiàn)了各種具有代表性的工程組件的制備，包括散熱器風(fēng)扇、八角桁架微晶格和齒輪，證明了該EHEA對各種復(fù)雜幾何形狀的出色可打印性。
圖 AM AlCoCrFeNi2.1 EHEA的顯微組織作者對樣品的力學(xué)性能進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，與鑄態(tài)相比，AM AlCoCrFeNi2.1 EHEAs具有優(yōu)異的力學(xué)性能。具有較高的0.2%偏移量拉伸屈服強(qiáng)度，σ0.2 = 1333±38 MPa，遠(yuǎn)高于鑄態(tài)試樣的510±15 MPa。在高流動應(yīng)力下，它還顯示出高的應(yīng)變硬化率，表現(xiàn)出約14%的均勻拉伸率，其極限抗拉強(qiáng)度σu=1640±38MPa。AlCoCrFeNi2.1EHEAs在形狀和晶體學(xué)上具有各向同性的力學(xué)行為，隨后的熱處理可以實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)力學(xué)性能的調(diào)控，這有助于實(shí)現(xiàn)廣泛的強(qiáng)度-延展性的結(jié)合。
圖 AM AlCoCrFeNi2.1 EHEA的拉伸性能作者通過探究樣品在拉伸過程中不同相的晶格應(yīng)變以及位錯密度的表征，明確了不同結(jié)構(gòu)對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，納米層狀強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)約為1 GPa。此外，L-PBF的快速凝固會在樣品中產(chǎn)生高密度的位錯，從而產(chǎn)生額外的強(qiáng)化效果。使用中子衍射測量來確定樣品中的位錯密度。bcc(ρbcc)和fcc(ρfcc) 納米片的平均位錯密度分別高達(dá)(7.4 ± 1.1) × 1014 m-2和(5.4 ± 0.3)×1014 m-2，導(dǎo)致估計(jì)增加屈服強(qiáng)度約為280 MPa。通過將原位中子衍射實(shí)驗(yàn)與雙相晶體塑性有限元（DP-CPFE）建模相結(jié)合，研究了EHEA的高應(yīng)變硬化的起源和由此產(chǎn)生的大拉伸延展性。通過分析中子衍射測量中位錯密度的動態(tài)演變，表明了位錯密度的增加與高應(yīng)變硬化率密切相關(guān)。
圖 單軸拉伸過程中fcc和bcc相的晶格應(yīng)變和應(yīng)力分配使用PED來表征不同施加的拉伸應(yīng)變下的位錯演變。在bcc和fcc納米片中觀察到高密度的位錯，ρbcc≈(7.4 ± 1.1) × 1014 m-2和ρfcc≈(5.4±0.3)×1014m-2。位錯傾向于在層狀界面聚集，PED結(jié)果和中子衍射測量結(jié)果以及HRTEM的觀察結(jié)果均證實(shí)了這一點(diǎn)，位錯在界面的聚集有利于跨半相干相界面的滑移傳輸，納米薄片界面可以有效地阻擋和儲存位錯，有助于AM EHEA 實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高加工硬化的完美結(jié)合。
本文利用L-PBF的增材制造技術(shù)和EHEAs的有利成分效應(yīng)，開發(fā)了一類雙相納米層狀合金，表現(xiàn)出優(yōu)異的高屈服強(qiáng)度和高拉伸延展性，超過了其他先進(jìn)的AM合金。這種分級的雙相納米結(jié)構(gòu)基序可以普遍應(yīng)用于其他EHEA系統(tǒng)，以改善其力學(xué)性能。AM EHEAs強(qiáng)化和硬化行為的機(jī)理研究可以應(yīng)用于高性能金屬合金的設(shè)計(jì)，這些合金可以形成豐富多樣的復(fù)雜多相片層結(jié)構(gòu)，如鋁合金和鈦合金。
Jie Ren, et al. Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing. Nature, 2022, 608:62–68.
DOI: 10.1038/s41586-022-04914-8.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8
