1.背景介紹

強度和塑性作為結構材料關鍵力學性能，對構件的服役安全、使用壽命和節能減排等具有重要意義。如何實現超高強度和良好塑性的結合，一直是國內外結構材料領域普遍關注的重大科學問題。作為一種新型高熵合金，共晶高熵合金通常呈現微納米尺度上高強度相和高塑性相交替規則排列的層片結構，能夠有效調節強度和塑性之間的矛盾，同時集合了高熵合金和共晶合金的性能優勢，為金屬材料的多尺度結構設計和強塑性研究提供了一個新的契機。

目前，鑄造、鍛壓等傳統制備工藝已廣泛應用于制備共晶高熵合金，并獲得了較為優異的綜合力學性能。然而，為加速推進共晶高熵合金的工程化應用，高性能共晶高熵合金復雜構件的高質量制備仍然面臨嚴峻挑戰。激光粉末床熔融技術(LPBF)是近年來發展的制備高性能復雜結構金屬構件的一類先進制造技術。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超細晶粒、高密度位錯亞結構和較高的抗拉強度。因此，通過LPBF制備共晶高熵合金，期望能夠充分發揮異質層片結構的組織優勢和激光快速凝固的技術優勢，獲得具有優異強塑性組合和大成形自由度的共晶高熵合金構件。

2.成果介紹

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了一種通過激光粉末床熔融技術制備獲得超高強塑性和大成形自由度共晶高熵合金的新方法。具有超細異質納米層片結構的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1表現出超高強度和良好的塑性，屈服強度為1210 MPa，抗拉強度1414 MPa，延伸率16%。研究結果表明，共晶高熵合金的高強度主要來自于晶粒細化和異質相界面的高背應力強化，快速凝固引起的高密度位錯和彌散分布的納米顆粒沉淀提供了額外的強化效果。此外，受粉體表面附著的氧化物雜質顆粒的影響，熔池中規則層片結構的穩定生長產生擾動，胞狀結構傾向于產生。具有兩級雙相結構（超細層片結構和胞狀結構）的共晶高熵合金表現出更為顯著的強塑性組合，屈服強度1042 MPa，抗拉強度1303 MPa，延伸率26%。相關工作以題為“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)和循環粉末(c-d)形態及粒徑分布; (e) LPBF設備; (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合金AlCoCrFeNi2.1粉末，另一種是經LPBF循環多次的AlCoCrFeNi2.1粉末。對兩批粉末進行形貌觀察和粒徑分析，發現多次循環后，粉末仍然保留較好的球形度，粒徑輕微增大。利用循環多次的粉末成功成形了空心葉片，呈現較高的表面光潔性。

微觀組織形態

圖2 以原始粉末為原料制備的沉積態樣品(a)(a1)和熱處理態樣品(b)(b1)微觀組織圖; 以循環粉末為原料制備的沉積態樣品(c)(c1)和熱處理態樣品(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FCC和B2交替排列的規則層片共晶組織。層片組織的平均共晶間距為244 nm，約為鑄態樣品的十分之一。胞狀結構出現在使用循環粉末制備的共晶高熵合金樣品中，胞狀結構由近方形的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) 純共晶穩定生長示意圖; (c) 含雜質共晶生長示意圖

當激光與粉體相互作用時，氧化物雜質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，向四周排出FCC原子。由于搭橋作用，FCC層片相互連接形成近方形的胞。

室溫力學性能

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

具有胞狀結構和層片共晶混合的沉積態試樣呈現較好的強塑性組合，屈服強度1042±25MPa，抗拉強度1303±21MPa，延伸率26±2%。完全層片共晶的沉積態試樣室溫強度明顯升高，同時伴隨一部分延伸率的損失(1210MPa(σy)/1414MPa(σUTS)/16%(ε))。經600℃/10h熱處理后，試樣的強度進一步升高，延伸率降低。

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

沉積態試樣的高屈服強度主要來自于超細晶粒和高密度異質相界面產生的高背應力強化，此外，快速凝固作用下帶來的位錯網絡和分散在兩相中的共格納米沉淀相產生了額外的貢獻。所得沉積態試樣室溫強度遠超傳統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其強度和應變硬化行為的貢獻，為獲得具有優異強塑性、任意復雜形狀的高性能結構件提供了理論及技術基礎。

5.通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國家優秀青年科學基金獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”，陜西“冶金青年科技標兵”，陜西高校青年創新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復合陶瓷及結構功能一體化復合材料等。發表SCI論文140余篇。獲授權中國發明專利50項以及1項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎、陜西有色金屬學會一等獎、陜西省科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。