哈工大朱景川教授：硬度高達7.55GPa！激光重熔高性能中熵合金！

來源：材料學網(wǎng)

導讀：本文采用光纖激光重熔了一種多相無鈷鑄態(tài) AlCrFe 2 Ni 2中熵合金 (MEA)。通過表征鑄態(tài)和重熔的 AlCrFe 2 Ni 2，研究了激光重熔對組織、相分布和機械性能的影響合金。激光重熔工藝使晶粒尺寸從約 780 μm 顯著減小到 58.89 μm（縱向截面）和 15.87 μm（橫向截面），硬度從 4.72 ± 0.293 GPa 增加到 6.40 ± 0.147 GPa（縱向截面）和7.55 ± 0.360 GPa（橫截面）。還發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)合金中由FCC相、有序B2相和無序BCC相組成的長邊板狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛山惶嬗行駼2相和無序BCC相組成的納米級編織狀組織。重熔后屈服應力從661.9 MPa增加到1347.6 MPa（縱截面）和1647.2 MPa（橫斷面）。

高熵合金 (HEAs) 和中熵合金(MEAs) 是新開發(fā)的合金，它們由具有相等或接近相等摩爾比的幾種元素組成。HEA/MEA 的特殊成分特性導致非凡的性能，如高強度和硬度、良好的熱穩(wěn)定性 , 高耐腐蝕性, 理想的高溫抗氧化性能和優(yōu)越的磁性。電弧熔煉是HEA/MEAs最常用的制備方法，可以在一定程度上凈化鑄錠，改善結(jié)晶度。然而，電弧熔化過程中冷卻速度低，容易導致粗晶粒的形成，對合金的性能和使用性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

與電弧熔化工藝相比，激光重熔或基于激光的增材制造（AM）方法可以提供超快的冷卻速度（高達 10 4 ～10 7 K/s），這有利于擴大極限固溶，細化晶粒，消除偏析，形成新的亞穩(wěn)相并最終表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。布里夫等人已經(jīng)使用選擇性激光熔化制造了 FeCoCrNi 高熵合金。沉積態(tài) HEA 的屈服應力為 600 MPa，遠高于鑄態(tài) HEA 的屈服應力 188 MPa。此外，沉積態(tài)合金的延伸率為 32%，與鑄態(tài)合金相當。他們的工作表明，高冷卻速率的工藝可以幫助 HEA 同時實現(xiàn)高強度和良好的塑性。由于增強分散性的促進，獲得了進一步細化的晶粒。他們發(fā)現(xiàn)與沒有重熔的 HEA 相比，獲得了更高的強度和更好的塑性。

近年來，共晶 HEA 和 MEA 因其在強度-延展性協(xié)同方面的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注. 這些合金由彼此分離的軟相（即FCC 相）和硬相（即B2 相）組成。它們通常在室溫下表現(xiàn)出前所未有的高強度和高延展性的結(jié)合。這些合金的主要合成方法是電弧熔煉�？紤]到優(yōu)化這些合金鑄錠的顯微組織和提高其機械性能，由于它們在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，因此很難進行后續(xù)熱處理。從上述討論可以看出，激光加工是一種優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和改善機械性能的有前途的技術(shù)。

在此，哈工大朱景川教授團隊利用激光來重熔一種多相無 Co 共晶中等熵合金 AlCrFe 2 Ni 2。研究了激光重熔對組織、相演化和機械性能的影響。通過計算四種潛在強化機制中的每一種來評估主要強化機制，以預測重熔 MEA 的屈服應力。由于激光重熔工藝也可以提供類似于AM工藝的熱環(huán)境，本工作也可以作為探索AlCrFe 2 Ni 2 MEAs合金作為激光基AM原材料的可能性的參考。相關(guān)研究成果以題“Refined microstructure and enhanced mechanical properties ofAlCrFe2Ni2 medium entropy alloy produced via laser remelting”發(fā)表在國際著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221005715

鑄態(tài)MEA中存在長邊板狀FCC、B2相和由B2相和BCC相組成的隨機分布的調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)。重熔后，微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎行駼2相和無序BCC相組成的納米級編織狀微觀結(jié)構(gòu)。激光重熔后MEA的平均晶粒尺寸顯著減小。這表明激光重熔的快速冷卻速度促進了細化晶粒的形成。

圖1。(a) 鑄態(tài)和重熔AlCrFe 2 Ni 2合金的XRD圖譜；(b) 在 (1 1 0) 處重熔樣品峰的放大圖像。

圖2。(a) AlCrFe 2 Ni2合金重熔區(qū)和母材的橫截面形貌圖像；(b) 鑄態(tài)合金的晶粒尺寸分布分析。

圖3。激光重熔樣品的EBSD圖像（a）縱向截面的IPF Y圖；(b)IPF Y 橫斷面圖；(c) 縱剖面相位分布圖；(d) 橫截面的相位分布圖。

圖 5。(a) 鑄態(tài) MEA 和 (b) 重熔 MEA 的 SEM 圖像；(a) 和 (b) 的插圖是更高放大倍數(shù)下的 SEM 圖像。

圖 6。鑄態(tài) AlCrFe 2 Ni2合金的TEM 顯微照片。(a) 代表性相的 HAADF 圖像；(b) 用 STEM繪制的元素分布；(c) 富 FeNiCr FCC 相 (d) 富 AlNi 有序 B2 相 (e) 富 FeCr BCC 相的相應SAED 模式。

圖 7。重熔的 AlCrFe 2 Ni2合金的TEM 顯微照片。(a) 重熔 MEA 微觀結(jié)構(gòu)的 HAADF 圖像。插圖是放大的 HAADF 圖像，顯示了納米尺寸的相；(b) 用 STEM 繪制的 (a) 中標記的相同區(qū)域的元素分布；(c) HRTEM 顯示 B2 和BCC 相之間的界面；(d) 富含 AlNi 的有序 B2 相和 (e) 富含 FeCr 的 BCC 相的相對 FFT 模式。

重熔的 MEA 表現(xiàn)出優(yōu)于鑄態(tài) MEA的機械性能。重熔后的 MEA 的硬度和屈服強度分別為~7.55GPa 和~1647.2 MPa，延伸率~0.73。重熔后，在不犧牲塑性的情況下，硬度增加，屈服強度顯著提高。計算的屈服強度 (1840.66 MPa) 與從納米壓痕結(jié)果獲得的衍生屈服強度 (1647.2MPa) 一致。詳細的強化機制分析表明，位錯剪切和粒子剪切機制主導了強化，對重熔 MEA 的屈服強度分別貢獻了約 904.02 MPa 和約 700.29 MPa 的強度增量。