1.背景介紹

強(qiáng)度和塑性作為結(jié)構(gòu)材料關(guān)鍵力學(xué)性能，對(duì)構(gòu)件的服役安全、使用壽命和節(jié)能減排等具有重要意義。如何實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和良好塑性的結(jié)合，一直是國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域普遍關(guān)注的重大科學(xué)問題。作為一種新型高熵合金，共晶高熵合金通常呈現(xiàn)微納米尺度上高強(qiáng)度相和高塑性相交替規(guī)則排列的層片結(jié)構(gòu)，能夠有效調(diào)節(jié)強(qiáng)度和塑性之間的矛盾，同時(shí)集合了高熵合金和共晶合金的性能優(yōu)勢(shì)，為金屬材料的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)塑性研究提供了一個(gè)新的契機(jī)。

目前，鑄造、鍛壓等傳統(tǒng)制備工藝已廣泛應(yīng)用于制備共晶高熵合金，并獲得了較為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。然而，為加速推進(jìn)共晶高熵合金的工程化應(yīng)用，高性能共晶高熵合金復(fù)雜構(gòu)件的高質(zhì)量制備仍然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。激光粉末床熔融技術(shù)(LPBF)是近年來發(fā)展的制備高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的一類先進(jìn)制造技術(shù)。通過高能激光束熔融粉末薄層，較高的冷卻速率和溫度梯度使打印材料表現(xiàn)超細(xì)晶粒、高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和較高的抗拉強(qiáng)度。因此，通過LPBF制備共晶高熵合金，期望能夠充分發(fā)揮異質(zhì)層片結(jié)構(gòu)的組織優(yōu)勢(shì)和激光快速凝固的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，獲得具有優(yōu)異強(qiáng)塑性組合和大成形自由度的共晶高熵合金構(gòu)件。

2.成果介紹

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種通過激光粉末床熔融技術(shù)制備獲得超高強(qiáng)塑性和大成形自由度共晶高熵合金的新方法。具有超細(xì)異質(zhì)納米層片結(jié)構(gòu)的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1表現(xiàn)出超高強(qiáng)度和良好的塑性，屈服強(qiáng)度為1210 MPa，抗拉強(qiáng)度1414 MPa，延伸率16%。研究結(jié)果表明，共晶高熵合金的高強(qiáng)度主要來自于晶粒細(xì)化和異質(zhì)相界面的高背應(yīng)力強(qiáng)化，快速凝固引起的高密度位錯(cuò)和彌散分布的納米顆粒沉淀提供了額外的強(qiáng)化效果。此外，受粉體表面附著的氧化物雜質(zhì)顆粒的影響，熔池中規(guī)則層片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定生長(zhǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，胞狀結(jié)構(gòu)傾向于產(chǎn)生。具有兩級(jí)雙相結(jié)構(gòu)（超細(xì)層片結(jié)構(gòu)和胞狀結(jié)構(gòu)）的共晶高熵合金表現(xiàn)出更為顯著的強(qiáng)塑性組合，屈服強(qiáng)度1042 MPa，抗拉強(qiáng)度1303 MPa，延伸率26%。相關(guān)工作以題為“New insight into tailorable eutectic high entropy alloys with remarkable strength–ductility synergy and ample shaping freedom fabricated using laser powder bed fusion”的研究論文發(fā)表在Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103257

粉末原料、制備工藝及成形樣件

圖1 原始粉末(a-b)和循環(huán)粉末(c-d)形態(tài)及粒徑分布; (e) LPBF設(shè)備; (f-g) LPBF制備共晶高熵合金樣件

以兩批共晶高熵合金粉末為粉末原料成形共晶高熵合金試樣。其中一種是采用氣霧化制備的商用預(yù)合金AlCoCrFeNi2.1粉末，另一種是經(jīng)LPBF循環(huán)多次的AlCoCrFeNi2.1粉末。對(duì)兩批粉末進(jìn)行形貌觀察和粒徑分析，發(fā)現(xiàn)多次循環(huán)后，粉末仍然保留較好的球形度，粒徑輕微增大。利用循環(huán)多次的粉末成功成形了空心葉片，呈現(xiàn)較高的表面光潔性。

微觀組織形態(tài)

圖2 以原始粉末為原料制備的沉積態(tài)樣品(a)(a1)和熱處理態(tài)樣品(b)(b1)微觀組織圖; 以循環(huán)粉末為原料制備的沉積態(tài)樣品(c)(c1)和熱處理態(tài)樣品(d)(d1)微觀組織圖

使用原始粉末原料制備的共晶高熵合金試樣呈現(xiàn)FCC和B2交替排列的規(guī)則層片共晶組織。層片組織的平均共晶間距為244 nm，約為鑄態(tài)樣品的十分之一。胞狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在使用循環(huán)粉末制備的共晶高熵合金樣品中，胞狀結(jié)構(gòu)由近方形的FCC胞和圍繞在四周的B2相組成。

圖3 (a) 激光與粉末相互作用示意圖; (b) 純共晶穩(wěn)定生長(zhǎng)示意圖; (c) 含雜質(zhì)共晶生長(zhǎng)示意圖

當(dāng)激光與粉體相互作用時(shí)，氧化物雜質(zhì)作為第三組元在熔體中存在。在凝固過程中，B2相比FCC相排出更多的氧化物在凝固界面前沿堆積，破壞了共晶等溫界面。B2相落后于FCC片層生長(zhǎng)，向四周排出FCC原子。由于搭橋作用，F(xiàn)CC層片相互連接形成近方形的胞。

室溫力學(xué)性能

圖4 (a) 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線; (b) 室溫拉伸性能柱狀圖; (c) 層片試樣應(yīng)力硬化和真應(yīng)力曲線; (d) 胞狀試樣應(yīng)力硬化和真應(yīng)力曲線

具有胞狀結(jié)構(gòu)和層片共晶混合的沉積態(tài)試樣呈現(xiàn)較好的強(qiáng)塑性組合，屈服強(qiáng)度1042±25MPa，抗拉強(qiáng)度1303±21MPa，延伸率26±2%。完全層片共晶的沉積態(tài)試樣室溫強(qiáng)度明顯升高，同時(shí)伴隨一部分延伸率的損失(1210MPa(σy)/1414MPa(σUTS)/16%(ε))。經(jīng)600℃/10h熱處理后，試樣的強(qiáng)度進(jìn)一步升高，延伸率降低。

圖5 (a) LPBF制備層片共晶高熵合金的不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn); (b-d) LPBF制備共晶高熵合金試樣力學(xué)性能與多種高性能合金的性能比較

沉積態(tài)試樣的高屈服強(qiáng)度主要來自于超細(xì)晶粒和高密度異質(zhì)相界面產(chǎn)生的高背應(yīng)力強(qiáng)化，此外，快速凝固作用下帶來的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和分散在兩相中的共格納米沉淀相產(chǎn)生了額外的貢獻(xiàn)。所得沉積態(tài)試樣室溫強(qiáng)度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鑄造及定向凝固樣品，接近于目前增材制造高熵合金的最高水平。

4.結(jié)論與展望

該研究綜合分析了激光粉末床熔融共晶高熵合金中多尺度微觀組織對(duì)其強(qiáng)度和應(yīng)變硬化行為的貢獻(xiàn)，為獲得具有優(yōu)異強(qiáng)塑性、任意復(fù)雜形狀的高性能結(jié)構(gòu)件提供了理論及技術(shù)基礎(chǔ)。

5.通訊作者簡(jiǎn)介

蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，入選國(guó)家首批“香江學(xué)者”計(jì)劃，陜西省“青年科技新星”，陜西“冶金青年科技標(biāo)兵”，陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人和陜西重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。長(zhǎng)期從事先進(jìn)定向凝固技術(shù)與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復(fù)合陶瓷及結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料等。發(fā)表SCI論文140余篇。獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利50項(xiàng)以及1項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀成果特等獎(jiǎng)、陜西有色金屬學(xué)會(huì)一等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，全國(guó)有色金屬優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)和陜西青年科技獎(jiǎng)各1項(xiàng)。