上海交通大學《Acta Materialia》增材制造難熔高熵合金中預組裝位錯網絡提高其強度和塑性

2025-01-08 13:56:48 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀:難熔高熵合金（RHEAs）作為一類新型的多主元素合金，因其優異的性能而備受關注。然而，它們的低塑性限制了它們的潛在應用，而合金元素的高熔點則面臨增材制造（AM）的挑戰。本文成功地利用AM技術制備了具有廣泛分布的細胞結構的RHEA。此外，我們提出了一種簡單的策略，通過彈性階段（微塑性變形）的循環變形處理，在胞狀結構區域內提前形成完整的位錯網絡。位錯網絡與其他位錯糾纏在一起，在細胞壁附近形成許多釘住點，阻礙了位錯的運動。結果表明，RHEA的循環變形處理在保持50%變形應變不破裂的情況下，屈服強度達到1136 MPa。循環變形加工方法為增材制造合金的強化提供了一條途徑，為克服強度和塑性之間的權衡提供了一種解決方案

自青銅時代以來，合金化已被廣泛認為是增強金屬性能的重要方法。在過去，通常的做法是使用一種主要成分作為基材，然后添加其他成分作為溶質材料設計和開發中的元素，通過操縱材料的微觀結構來提高合金性能。高熵合金又稱多主元素合金或Cantor合金。HEAs通常由五種或五種以上的元素組成，它們的原子比幾乎相等，形成單相固溶體，并表現出多種獨特的性質。近年來，HEAs的研究重點已經從面心立方（FCC） HEAs轉向體心立方（BCC） HEAs。BCC HEAs，也稱為難熔HEAs (RHEAs)，通常由難熔元素組成。

然而，由于合金成分的高熔點，傳統的熔融凝固法制備RHEAs面臨著巨大的挑戰。

激光金屬增材制造（AM）被認為是一種顛覆性的制備技術，它將材料的合成和制造集成到一個單一的過程中。增材制造被認為是推動技術創新和促進工業可持續發展的關鍵戰略技術。增材制造中采用的逐域（點逐點、逐行和逐層）方法可以制造復雜的拓撲結構，從而產生具有優異宏觀性能的合金。

最近，AM制造的材料不僅細化了細胞結構，而且有可能在細胞內部或周圍形成網絡（細胞結構）。這些網絡還可以顯著提高材料的性能。例如，在AM制造的鈦基復合材料中，觀察到TiB在晶界處析出，形成TiB網絡。這種網絡有效地限制了高溫變形時細胞間的位錯滑移，最終提高了鈦基復合材料的高溫塑性。對于AM制銅合金，熱場影響細胞內位錯網絡的形成。與冷軋銅相比，該網絡可以產生更多的洛默鎖，有效地錨定位錯。

之前的研究表明，RHEAs的細胞結構包括細胞壁和細胞內部，這是由元素分離交替產生的。此外，在變形過程中，細胞結構能夠鎖定和限制位錯運動，導致在細胞壁區域內形成位錯網絡。然而，這些位錯網絡通常在塑性變形階段開始形成高度的完整性，從而限制了它們對RHEAs屈服強度的貢獻。上海交通大學王立強團隊采用激光粉末床熔接技術成功制備了具有細胞結構的RHEA。此外，在彈性變形階段（微塑性變形階段），通過100次變形處理的預處理，將位錯預釘在細胞壁區域。與構建的RHEA相比，循環變形處理的RHEA（簡稱CP RHEA）的細胞結構表現出更高的位錯密度，并初步形成位錯網絡。這種新的位錯網絡促進了細胞結構和位錯之間前所未有的相互作用，從而產生了優異的力學性能。這項工作揭示了一種由細胞結構調節的新型位錯構型，為在沒有嚴重塑性變形的情況下提高HEAs的機械性能提供了一條途徑。

networks in additively manufactured refractory high entropy alloy”發表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424008759

圖1機械合金化粉末的SEM形貌及相應的能譜元素分布。

圖2構建和循環變形處理（CP） RHEA結果的細胞分布和晶體結構。

A-B圖為大步長為1 μm (a)和小步長為0.1 μm (B)的電子背散射衍射（EBSD）結果，未發現明顯的柱狀顆粒。

C-D， CP RHEA的EBSD結果為大步長為1 μm (C)，小步長為0.1 μm (D)， CP RHEA中沒有明顯的柱狀顆粒。

E、成品和CP RHEA的粒度分布。

F， as-built和CP RHEA的晶界取向偏差。

G，構建的和CP RHEA的x射線衍射（XRD）結果。

圖2A顯示，在構建的RHEA中只存在一種BCC晶體結構，并且顆粒在所有平面上都顯示出扭曲的形態。這種獨特的顆粒分布區分了弧熔化的RHEA。此外，構建的RHEA中細胞分布不均勻，大多數細胞尺寸在10 μm左右，也有一些微小的納米顆粒和超過25 μm的大顆粒。實際上，在構建的RHEA中觀察到的不均勻細胞分布是AM過程的結果。激光產生的高能量在局部產生高的熱梯度，促使熔體池中發生強烈的流體流動（馬蘭戈尼對流）。這種流體流動破壞了顆粒的成核和生長，最終導致在構建的RHEA中形成不均勻的顆粒分布。

圖3增材制造的RHEA細胞結構的形態和機理。

A，掃描電鏡觀察到的細胞結構分布。B，等軸晶區。C.板條狀晶區。

D，透射電鏡（TEM）觀察到的細胞壁和細胞內部。

E，包含細胞壁和細胞內部的區域的選定區域電子衍射（SAED）模式。

F.能譜圖顯示Ta和Nb偏析到凝固胞壁，Ti偏析到凝固胞壁。

圖4在as-built和CP RHEA中的位錯分布。

A、循環變形過程中應力變化示意圖。

B，高角度環形暗場（HADDF）模式下構建的RHEA細胞結構形態。

C， B的亮場（BF） TEM圖像，顯示了構建的RHEA在細胞結構中的位錯。

D， HADDF模式下CP RHEA的細胞結構形態。

E， D的BF TEM圖像，顯示CP RHEA在細胞結構中的位錯。

F、循環變形過程中位錯滑移到細胞壁的示意圖。

圖5A為室溫下施工狀態和CP RHEA（垂直加載）的壓縮工程應力-應變曲線。值得注意的是，CP RHEA的屈服強度達到1136±27 MPa，高于成品RHEA的897±17MPa。此外，構建的RHEA和CP RHEA均表現出50%的壓縮變形應變而不斷裂，證明AM -制備的RHEA具有較大的塑性。為了說明這一點，圖5B將成品和CP RHEAs與其他合金的屈服強度和彈塑性功（根據壓縮曲線下的面積計算）進行了比較。與最近在CrMoNbV、TiNbTaZrMo、NbTaTiVZr、NbMoTaWO和NbTaTiV等RHEAs上進行的壓縮實驗相比，AM制備的RHEA表現出更高的彈塑性工作。同時，這種獨特的性能也將AM制造的RHEAs與傳統合金（包括低碳鋼，鈦合金和Zr合金）區分開來。