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深圳大學(xué)頂刊：增材制造析出強(qiáng)化高熵合金的強(qiáng)化和斷裂機(jī)理！

2022-04-07 15:57:49 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

高熵合金作為一種新型的金屬材料，其出現(xiàn)大大拓展了合金設(shè)計(jì)思路。多組元高摩爾比混合帶來的高構(gòu)型熵賦予高熵合金很多獨(dú)特性能，但高熵合金最初的設(shè)計(jì)理念是運(yùn)用固溶強(qiáng)化提升強(qiáng)度，其增強(qiáng)效果有限，所以高熵合金力學(xué)性能還有很大提升空間。增材制造（又稱3D打印）是一種革命性的生產(chǎn)手段，其出現(xiàn)極大拓展了三維部件的設(shè)計(jì)和制造自由度。此外，金屬材料在打印成形同時(shí)引入高密度位錯，同時(shí)快冷帶來細(xì)小晶粒，因此增材制造還是一種提升材料力學(xué)性能的高效途徑。雖然前期人們已經(jīng)采用增材制造技術(shù)制備了幾種析出強(qiáng)化高熵合金，但具體內(nèi)在強(qiáng)化機(jī)制還存在爭議，并且人們對高熵合金斷裂機(jī)理的研究還較少。

基于此，深圳大學(xué)增材制造研究所劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)與深圳技術(shù)大學(xué)楊燦副教授、香港城市大學(xué)楊濤教授、東南大學(xué)賈喆教授合作，采用選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)制備了（FeCoNi）86Al7Ti7析出強(qiáng)化高熵合金，通過不同溫度時(shí)效熱處理研究析出相對高熵合金強(qiáng)度和塑性的影響，揭示了增材制造高熵合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理。相關(guān)研究成果以題“Strengthening and fracture mechanisms of a precipitation hardening high-entropy alloy fabricated by selective laser melting”發(fā)表于增材制造頂刊Virtual and Physical Prototyping。

論文鏈接：

https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17452759.2022.2037055

研究結(jié)果表明，時(shí)效熱處理后在SLM打印（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金組織不同位置析出共格L12相和非共格L21相，其中L12相析出于位錯胞內(nèi)部，而L21相析出于位錯胞三叉界面。從而，該高熵合金屈服強(qiáng)度從打印態(tài)710MPa提高到1201 MPa，但同時(shí)伴隨著塑性的降低。理論分析表明，共格L12相的有序強(qiáng)化貢獻(xiàn)了絕大部分強(qiáng)度提升，而時(shí)效處理后塑性的降低是由非共格析出相L21含量的增多引起。進(jìn)一步，針對增材制造高熵合金獨(dú)特的斷裂特征，提出了適用于增材制造金屬材料的新型斷裂模式—沿位錯胞邊界斷裂（intercellular fracture），用以解釋位錯胞結(jié)構(gòu)和斷口韌窩尺寸的強(qiáng)烈正相關(guān)特性。該研究不僅成功解釋了增材制造析出強(qiáng)化高熵合金的強(qiáng)化機(jī)理，還為增材制造金屬材料的塑性變形和斷裂過程提供了理論參考。

圖1. （a）氣霧化（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金粉末形貌，插圖為粉末粒徑分布；（b）選區(qū)激光熔化打印掃描策略。

圖2. （a）體積能量密度對打印高熵合金相對致密度的影響；（b）掃描速度和掃描間距對高熵合金相對致密度的影響。

圖 3. （a）不同熱處理狀態(tài)高熵合金的XRD衍射譜；（b）析出L12 和 L21相衍射峰局部放大圖。

圖4. 不同熱處理狀態(tài)高熵合金的組織結(jié)構(gòu)：（a-d）打印態(tài)和時(shí)效態(tài)高熵合金晶粒取向分布圖；（e-g）各種狀態(tài)高熵合金極圖；（h-j）各種狀態(tài)高熵合金晶粒分布圖。

圖5. 各種熱處理狀態(tài)高熵合金精細(xì)組織TEM照片：（a）打印態(tài)；（b）和（c）時(shí)效熱處理500°C-2h狀態(tài)，（d）時(shí)效500°C-4h；（e）和（f）時(shí)效780°C-2h；（a1）和（e1）分別為打印和時(shí)效780°C-2h高熵合金位錯胞元素分布；（g）和（h）分別為析出有序相L21 和 L12選區(qū)電子衍射花樣。