共晶高熵合金往往具有多級(jí)的層片狀結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度與片層厚度直接相關(guān)，傳統(tǒng)的凝固方式只能產(chǎn)生微米和亞微米級(jí)的層片結(jié)構(gòu)，因而限制了其強(qiáng)度。納米片層結(jié)構(gòu)可以很好地增強(qiáng)高熵合金的強(qiáng)度，但同時(shí)這種納米結(jié)構(gòu)會(huì)限制材料的塑性和延展性。科學(xué)家們嘗試了許多方法來解決強(qiáng)度與塑性之間的矛盾，如薄膜沉積，嚴(yán)重塑性變形等方法。但是這些方法導(dǎo)致了強(qiáng)織構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的各向異性，限制了材料的應(yīng)用場景。

馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Wen Chen課題組和佐治亞理工學(xué)院的Ting Zhu課題組合作，創(chuàng)造性地將激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術(shù)用于生產(chǎn)AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，實(shí)現(xiàn)了雙相納米片層多級(jí)共晶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度（1.3 GPa）與延伸率（14%）的同步提升，遠(yuǎn)高于其他類似的增材制造合金，并且樣品具有很好的各向同性，適用于更多的工程應(yīng)用場景。其中，作者利用中子衍射技術(shù)，深入研究了共晶的fcc相與bcc相之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，以及變形過程中兩相中位錯(cuò)密度的變化規(guī)律。

▲論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8

LPBF制備納米片層共晶結(jié)構(gòu)

作者利用激光粉末床熔融（LPBF）工藝制備了具有納米片層多級(jí)結(jié)構(gòu)的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）表征顯示，雙相納米片層由交替的體心立方（bcc）和面心立方（fcc）納米層組成，厚度分別為λbcc = 64 ± 24 nm和λfcc = 151 ± 39  nm，相鄰片層之間的間距λ=215 nm。在fcc和bcc相之間確定了經(jīng)典的Kurdjumov–Sachs取向關(guān)系，即{111}fcc||{110}bcc和<110>fcc||<111>bcc。

▲圖：增材制造共晶高熵合金納米片層共晶結(jié)構(gòu)

a 增材制造打印樣品; b 光鏡圖像3D重構(gòu)打印樣品; c EBSD結(jié)果 d 二次電子圖像形貌; e TEM明場圖像; f 片層厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 g HAADF-STEM圖像; h ATP結(jié)果

納米片層多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)塑性

增材制造的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能，3D打印態(tài)合金的屈服應(yīng)力可以達(dá)到1333MPa，拉伸極限為1640MPa，均勻延伸率為14%，并且在高流動(dòng)應(yīng)力時(shí)具有更高的加工硬化率。經(jīng)800?°C，1h的熱退火之后的樣品，均勻伸長率超過20%，屈服強(qiáng)度達(dá)到了1GPa；持續(xù)600?°C，5h的退火后樣品的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度增加到大約1.6?GPa和1.9?GPa，均勻延伸率則下降為7.5%。

這種高強(qiáng)度來自于納米尺度的片層結(jié)構(gòu)，兩相之間的半相干界面對(duì)位錯(cuò)的滑移施加了較強(qiáng)的約束，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，這種納米片層提供了約1?GPa的屈服強(qiáng)度，而且LPBF工藝也會(huì)引入更高的位錯(cuò)密度，提升加工硬化能力。而高韌性來自于納米片層結(jié)構(gòu)的bcc相的異常高應(yīng)變硬化能力，其硬化能力甚至超過了片層的fcc相，這主要來源于fcc與bcc納米片層的半相干界面對(duì)位錯(cuò)的阻礙和存儲(chǔ)能力。

▲圖：增材制造共晶高熵合金拉伸性能 a 打印態(tài)及退火態(tài)AM AlCoCrFeNi2.1拉伸曲線; b 屈服強(qiáng)度及均勻延展率對(duì)比

▲圖：fcc和bcc納米片層界面處位錯(cuò)堆積 a-f TEM明場像; g-i HRTEM圖像; IFFT結(jié)果

中子能夠做什么？

▲圖：中子衍射反映fcc與bcc晶格應(yīng)變演變

▲共晶高熵合金兩相中位錯(cuò)密度分析

作者基于中子衍射技術(shù)，獲取了共晶高熵合金中的fcc和bcc兩相體積分?jǐn)?shù)、晶格失配、晶格應(yīng)變等重要的微觀參數(shù)信息，同時(shí)采用modified Williamson-Hall (mWH)方法分析全譜衍射峰的寬化以得到兩相分別的位錯(cuò)密度，說明了兩相加工硬化能力的提升，為闡述超高強(qiáng)度-韌性背后的機(jī)理提供了支持。