近日，由哈爾濱工業大學威海校區材料科學與工程學院宋曉國教授領導的研究團隊聯合北京動力機械研究所以及南京理工大學，利用激光增材制造技術實現了高強塑性高熵合金制備，研究成果以“Fabrication of a strong and ductile FeCoCrNiMo0.3 high-entropy alloy with a micro-nano precipitate framework via laser powder bed fusion”為題，發表在復合材料頂刊《Composites Part B: Engineering》（中科院一區TOP期刊，IF：13.1）上（原文鏈接為https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823005097）。林丹陽副研究員為該論文的第一作者，宋曉國教授為該論文的通訊作者。

激光增材制造技術由于一體化成形復雜結構周期短、精度高等特點逐漸成為航天發動機復雜構件快速迭代和制造的主要形式，可使發動機結構整體減重10%以上，制造周期縮短50%以上，成本降低20~30%。相比于傳統合金，性能優異的高熵合金（HEAs）材料作為耐高溫高強合金的替換性材料近年來受到航空航天產業的青睞。但目前激光增材制造最常用的FeCoCrNi高熵合金為單相FCC結構，沉淀強化作用的缺失導致其強度較低，而其衍生的沉淀強化高熵合金在變形過程中強化相與基體之間的協調變形能力較差，難以實現強度和塑性的良好兼容。

在FeCoCrNi高熵合金中添加Mo元素從而原位形成σ相可以提高基體強度且與基體形成良好的半共格關系，有效提高高熵合金力學性能。但是，現有高熵合金制備方法如真空電弧熔煉往往導致成形件強度塑性的不可兼容，其原因在于：

（1）電弧熔煉熱輸入大，導致了粗大的晶粒和σ相，降低了強化效果；

（2）σ相析出形態和大小對高熵合金力學性能至關重要。但是，較低的Mo含量難以在合金中形成足量σ相，而較高的Mo含量又會導致大尺寸連續σ相的析出。

因此，針對高熵合金中納米析出相形態和尺寸的精確控制成為提高HEA整體強塑性的關鍵。針對上述問題，宋曉國教授團隊提出采用激光粉末床熔融（LPBF）技術，原位生成與基體具有良好結合能力的σ相，并依托增材構件特有的亞結構邊界形成微納尺度的析出相框架結構。試驗結果表明，具有微納尺度框架結構的高熵合金強度及塑性均明顯提高。

該研究還通過熱力學計算和顯微組織觀察，揭示了σ相的形成機制和以及變形過程中的位錯疏導機制。研究發現，σ相可以分為兩種，富Cr的σA相主要在最終凝固過程中析出，而富Mo的σB相在凝固初期析出，這導致了σB相在凝固過程中不斷阻礙亞晶長大，并且伴隨基體同步生長，促進了σ相框架的形成。σ相框架的引入提高了變形過程中位錯滑移的阻力，同時框架對基體的固定作用顯著誘導了位錯沿平行于析出相方向進行滑移，避免了亞結構邊界的位錯塞積而引起的局部應力集中，進一步提高了高熵合金抵抗不均勻塑性變形的能力。該設計理念將為同時提高激光增材制造高熵合金的強塑性提供新思路，為金屬材料力學性能強化機制的進一步完善添磚加瓦。

近年來，宋曉國教授團隊深耕于增材制造高性能合金材料的開發、制備、性能評價等方面的研究，并取得了一系列原創性研究成果，為推動增材制造高性能合金的應用做出了重要貢獻。

圖1 FeCoCrNiMo0.3 HEA的σ相框架結構

圖2 FeCoCrNi和FeCoCrNiMo0.3兩種HEAs的非平衡凝固過程 

圖3 (a, c)FeCoCrNi和(b, d)FeCoCrNiMo0.3兩種HEA在塑性變形后的位錯分布及變形過程位錯運動示意圖

圖4 兩種HEA的原位DIC結果

圖5 HEAs的拉伸性能及斷裂方式