導讀：本文采用激光粉末床熔融( LPBF )技術對增材制造(名義等原子比) CrCoNi合金進行了加工。在室溫( 298 K )下，該中熵合金的屈服強度為σ y≈691 ± 9 MPa，抗拉強度為σ u≈926 ± 15.2 MPa；在低溫( 77 K )下，屈服強度和抗拉強度分別提高到σ y⋅944 ± 6 MPa和σ u⋅1382 ± 11 MPa。這些強度水平比變形合金高57 %和44 %，這是由于LPBF CrCoNi中與位錯相互交織的凝固胞狀結構所產生的強化。在298 K時，裂紋啟裂斷裂韌度KJIc為183.7 ± 28 MPa√m；77 K時，KJIc值降低了4 % ~ 176 ± 11 MPa√m。在298 K和77 K時，LPBF CrCoNi合金的KJIc值分別比變形CrCoNi合金低11 %和35 %。采用非線性彈性斷裂力學，通過測量J積分形式的R曲線行為作為裂紋擴展的函數，評估了LPBF Cr Co Ni的微-細觀分級結構的抗裂紋擴展能力。不同長度尺度下分級微結構的具體特征為這種增材制造中熵合金的強韌化性能提供了基礎。這種變形與不同長度尺度下的分級微結構之間的相關性可能為提高中熵合金的斷裂韌性性能提供未來的指導。

Cantor合金由近等摩爾濃度的Fe、Cr、Mn、Ni和Co組成，是一類面心立方( fcc )高、中熵合金( H / MEAs )，因其優異的抗斷裂性能而被廣泛研究，特別是在極低溫度下。盡管fcc H / MEAs有望成為未來常溫和低溫環境下使用的結構材料，但其較低的屈服強度σ y限制了其在許多工程應用中的潛力。例如，變形Cr Co Ni在常溫下具有207 MPa√m的斷裂韌性KJIc，在77 K時提高到273 MPa√m，在20 K時達到459 MPa√m，但其屈服強度σ y在298 K時僅為350 ~ 440 MPa，在77 K時為657 MPa，與同樣具有高斷裂韌性的易得奧氏體不銹鋼相當。

CrCoNi合金優異的抗斷裂性能與裂紋尖端前長時間的塑性變形有關，這是由一系列變形機制-堆垛層錯形成、納米孿晶和在低溫下應力誘導的fcc到六方密排( hcp )相變來維持的。然而，由于CrCoNi合金中只有置換固溶強化起作用，其屈服強度σ y較低。傳統的強化金屬材料的方法，如減小晶粒尺寸或采用沉淀硬化，雖然有效，但由于強度和韌性之間固有的矛盾，它們可能會對斷裂韌性產生不利影響。這種權衡主要是因為高的斷裂韌性要求裂紋尖端前方具有持續的塑性，這更容易通過較低的屈服強度σ y來實現。傳統的限制位錯可動性的強化機制可以限制裂紋尖端的位錯輔助鈍化，從而在較低的應力強度因子( K )下促進裂紋擴展。為了同時提高強度和斷裂韌性，位錯的運動確實需要被限制以獲得強度，但不能完全停止，以便它們能夠將損傷分布到遠離裂紋尖端的地方，并保持斷裂抗力。

增材制造( AM )工藝，如激光粉末床熔覆( LPBF )，通過引入微觀和介觀尺度的結構，可以提供一種替代的微結構設計路徑，以克服強度和韌性的權衡，這些結構在本質上是分層的，并已被證明可以在增強材料的同時保持(在某些情況下,增強)的斷裂韌性和損傷容限。LPBF處理合金中的這些分級結構是結構成分逐行逐層"自下而上"制造的結果，這些結構成分是激光掃描軌跡、熔池和凝固胞狀組織。激光掃描軌跡的寬度和熔池的深度控制著晶粒的尺寸、形貌和織構。在快速凝固過程中，由于成分過冷引起的溶質偏析形成了凝固胞狀組織，這是LPBF所固有的。此外，由于在構建過程中發生了嚴重的熱循環，位錯碎片被偏析的合金元素釘扎，從而裝飾了晶胞邊界。通過改變工藝參數組合，可以控制這些晶胞的尺寸在0.2 - 10 µ m范圍內，其形狀可以通過控制熔池內部最大熱梯度的方向來控制。

這些位錯胞是有趣的，因為它們通過泰勒硬化作用來強化材料。此外，它們促進了多種變形機制，并允許位錯在應變硬化的后期階段移動，從而保持了材料的塑性。美國加州大學伯克利分校Robert O.Ritchie研究團隊研究了亞微米位錯胞結構的LPBF Cr Co Ni合金的拉伸和斷裂性能，以探討以下問題：( i )位錯胞結構對同時提高Cr Co Ni合金強度和斷裂韌性的有效性；( ii )它們是否能促進裂紋擴展阻力，即R曲線行為；( iii )盡管CrCoNi合金的斷裂是由應變控制的微孔聚合過程，但由LPBF工藝產生的多級微/介觀結構是否可以通過賦予裂紋路徑的曲折度來產生額外的外在增韌，這已被報道用于LPBF生產的沉淀硬化和高強度材料。相關研究成果以題為“On the strength and fracture toughness of an additive manufactured CrCoNi medium-entropy alloy”發表在期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423005797

圖1

( A ) CrCoNi樣品LPBF工藝掃描策略。( B )緊湊拉伸試樣C ( T )和拉伸試樣相對于構建板的相對取向，其中Z軸平行于構建方向( BD )，Y軸平行于掃描方向( SD )，X軸平行于橫向( TD )。( C ) C ( T )試樣尺寸和( D )拉伸試樣尺寸。如圖。C和D，所有尺寸均為mm。

圖2 .

( A )具有代表性的3D微結構顯示激光掃描軌跡(白色點線條)在平行于成形方向的平面上，BD和熔池在垂直于成形方向的平面上，即掃描和橫向方向，SD和TD。( B )電子背散射衍射( EBSD )獲得的3 - D代表反極圖( IPF )圖顯示激光掃描軌跡內部存在多個晶粒，在SD和TD平面上存在柱狀晶。( C )高倍腐蝕圖像顯示出跨越多個熔池邊界的異常晶粒生長。紅色箭頭指示了熔池內部胞狀結構生長的方向。( D )透射電子顯微鏡( TEM )圖像顯示了晶粒內部位錯的胞狀網絡。

圖3 .

( A )在298 K和77 K溫度下對試樣進行單軸拉伸試驗，得到工程應力S -工程應變e曲線。( B )代表真應力，σvs.真應變，ε和瞬時應變硬化率，dσ / dεvs.真應變，ε曲線在298和77K測試的樣品。( C )在298 K和77 K下測試的LPBF Cr Co Ni試樣的抗裂曲線( R曲線)。

圖4 .

在( A ) 298 K和( B ) 77 K下，拉伸試樣的掃描電子顯微鏡( SEM )斷口圖顯示微孔聚集。

圖5 .

C ( T )試樣在( A ) 298K和( B ) 77K斷裂韌性測量后的SEM斷口圖。圖中用紅色點線、Ⅰ和Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示區域的放大圖像。A和B位于圖像的最底層。圖5A、B為超載破壞試樣的斷口形貌照片。這些斷裂面具有微孔的雙峰分布，具有較大的尺寸( ~72 ± 18 µ m )和較小的尺寸( ~ 0.4 ± 0.2 µ m )。較大的微孔尺寸與激光掃描軌跡的寬度相近，即在BD平面上測量的~69 ± 9 µ m (圖2B )。在這些大的微孔洞(例如,在圖5A和B中的位置Ⅱ和Ⅲ)的底部，可以觀察到一個似解理斷裂，其表面具有緊密間隔的線條，寬度為~0.8 ± 0.3 µ m。

圖6 .

TEM圖像顯示，在298K時，( A )〈111〉平面滑移穿過試樣裂紋尖端塑性區內部的胞狀邊界。( B )在77 K溫度下測試的試樣裂紋尖端塑性區內部的胞狀結構和相對較高的位錯密度。

圖7 .

電子背散射( EBSD )逆極圖( IPF )顯示了過載斷裂時裂紋的路徑以及裂紋與微觀組織的相互作用。在( A ) 298 K，( B ) 77 K下，斷裂時裂紋擴展起始位置的IPF圖。( C ) 298 K斷裂韌性測試過程中裂紋止裂位置的IPF圖。在所有三個試樣中，裂紋尖端附近的激光掃描軌跡的取向是不同的，這是由于層與層之間的67 °掃描旋轉和4 × 4 ° mm2島的棋盤圖案。在每個圖中，圖像中的白色點線顯示了激光掃描軌跡的邊界。這些試樣的斷裂韌度KJIc分別為( A ) 216 MPa√m，( B ) 185 MPa√m，( C ) 167 MPa√m。

圖8 .

在( A ) 298K和( B ) 77K測試的試樣中，SEM斷口顯示了由激光掃描軌跡引起的裂紋路徑的曲折性。在圖( B )中，具有白色點線的矩形顯示了拉伸區的二次裂紋，表明了非本征增韌。紅色雙箭頭線顯示了斷裂后激光掃描軌跡的殘留。

在298 K和77 K下，與傳統制備的CrCoNi相比，LPBF工藝制備的CrCoNi樣品的強度有所提高。此外，在298 K和77 K下，盡管屈服強度顯著提高，但仍保持了理想的斷裂韌性。這項研究表明，增材制造( AM )工藝可能是解決韌性材料強度和韌性折衷的可行方法。本文的主要結論有：1、AM誘導的分級結構同時增強和增韌了LPBF Cr Co Ni。位錯胞狀結構提高了屈服強度，而裂紋更傾向于沿著激光軌跡邊界擴展，提供了裂紋路徑迂曲的外在增韌。2、在CrCoNi的LPBF加工過程中拾取的間隙O似乎抑制了塑性變形過程中的納米孿晶和堆垛層錯的形成。3、減少沿構建方向具有〈110〉織構的畸變晶粒數量，減少間隙O以激活變形機制納米孿晶和堆垛層錯的形成，可進一步提高LPBF Cr Co Ni合金的斷裂韌性。