高熵合金（High Entropy Alloys，HEAs）是由四種或四種以上接近原子比的多元元素組成的新型合金，具有高屈服強度和高延展性相結合的優異力學性能，以及優異的耐蝕性、耐磨性和抗疲勞性等，近年來得到了迅速發展和廣泛關注。CoCrFeNi是目前研究最多的面心立方（FCC）單相HEA材料之一，在航空航天和海洋工程等領域具有廣泛的應用潛力。

隨著增材制造(AM)技術的快速發展，特別是激光定向能量沉積(LDED)技術的應用，為制備高性能的CoCrFeNi基高熵合金提供了新途徑。然而，在激光定向能量沉積(LDED)過程中，由于快速熔化和固化，該技術制造的CoCrFeNi高熵合金通常會形成粗大的柱狀晶粒，限制了其力學性能的進一步提升。

再結晶和孿生是提高材料力學性能的有效手段，哈爾濱工程大學姜風春團隊研究人員提出采用同步超聲沖擊處理技術（UIT）誘導激光定向能量沉積CoCrFeNi高熵合金發生再結晶和孿生，實現了高熵合金性能的大幅改善。通過多尺度表征研究了超聲沖擊對材料顯微組織的影響機理，并討論了多種機制對材料強度提升的貢獻。此外，采用分子動力學模擬，研究了拉伸過程中HEA的變形機制以及退火孿晶對后續變形孿晶的影響。該工作發表在增材制造領域Top期刊Additive Manufacturing上，第一作者為江國瑞博士生，通訊作者為陳祖斌副教授和果春煥教授。

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https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104410

圖1.超聲沖擊輔助激光定向能量沉積過程示意圖和OM圖像：(a)試驗裝置，(b)拉伸試樣，(c)(d)(e)沉積試樣的相關區域

圖2. 有無超聲沖擊處理的CoCrFeNi試樣EBSD結果:(a)相圖，(b) IPF，(c)晶界圖，(d) KAM，(e) GOS，(f)極圖，(g)晶粒尺寸分布直方圖，(h) GND值分布直方圖

圖3. 超聲沖擊處理的CoCrFeNi試樣頂部區域EBSD結果：(a) IPF，(b) GND，(c)極圖

圖4. 超聲沖擊處理的CoCrFeNi試樣再結晶和回復區域的EBSD結果：(a) IPF，(b) KAM，(c)孿晶分布圖，(d)極圖

圖5. 有無超聲沖擊處理的CoCrFeNi試樣的拉伸性能：(a)工程應力-應變曲線，(b)真應力-真應變曲線和加工硬化率-真應變曲線，(c)極限抗拉強度-伸長率曲線

圖6.為多種因素對抗拉強度的強化貢獻

圖7.不同應變下NT和WT模型的應力-應變曲線和原子結構圖像

圖8.NT和WT模型中的數據-應變曲線：(a)相百分比，(b)位錯密度

圖9. NT和WT模型在不同應變下的原子結構圖像和應力云

主要結論：

• 同步超聲沖擊顯著改善了DED試樣顯微組織。DED試樣中穿透多個沉積層的大尺寸柱狀晶轉變為DED-UIT試樣中的小尺寸柱狀晶和細小的再結晶等軸晶，平均晶粒尺寸從84.2μm減小到22.1μm，減小了約74%。同時，DED-UIT試樣中產生了退火孿晶。

• 闡明了激光定向能沉積CoCrFeNi高熵合金經同步超聲沖擊處理后的再結晶機理。UIT導致了先前沉積層的劇烈塑性變形，在隨后的DED過程中，大量再結晶晶粒迅速形核和長大，即發生再結晶。

• (3) 同步超聲沖擊處理顯著提高了DED CoCrFeNi HEA的力學性能。在保持塑性的同時，HEA的平均顯微硬度、極限抗拉強度和屈服強度分別從DED試樣的181.8 HV0.2、582 MPa和326 MPa增加到DED-UIT試樣的220.9 HV0.2、680 MPa和469 MPa。

• 闡明了UIT輔助下LDED CoCrFeNi HEA力學性能提高的機理。位錯強化、晶界強化和獨特的退火孿晶強化對LDED CoCrFeNi HEA屈服強度的提高做出貢獻，其相應的強化貢獻分別為49 MPa、50 MPa和44 MPa。

• 通過分子動力學計算，闡明了拉伸過程中退火孿晶對形變孿晶生長和位錯增殖的影響。退火孿晶的存在對形變孿晶的生長有不利影響，DED-UIT試樣的Δσtwin gb小于DED試樣。同時，由于位錯源的增多和滑移系的額外激活，有利于位錯的增殖，從而使DED-UIT試樣的Δσ_ρ比DED試樣的高。

總之，超聲沖擊誘導的再結晶和孿晶為改善激光定向能量沉積高熵合金的組織和性能提供了一種新的途徑。