《Acta Materialia》增材制造亞穩(wěn)態(tài)高熵合金的晶界偏析工程！

來源：材料科學與工程

激光粉末床融合(L-PBF)具有精確的控制系統(tǒng)，在小熔池上具有變化較大的熱梯度(G)和生長速率(R)，能夠產生分層和非均勻特征組織。凝固參數(shù)G和R控制著微觀組織特征的形態(tài)和大小，因此這些凝固參數(shù)在整個凝固熔池中的變化影響著微觀組織的異質性和層次性(MHH)。在L-PBF中，通過調控激光功率(P)和掃描速度(v)等工藝參數(shù)，可以對凝固參數(shù)和MHH進行微調。非等原子高熵合金(HEAs)對這種MHH具有很大的適應性。L-PBF的過程本質上有利于柱狀生長，這種柱狀生長導致材料的熱裂敏感性(HCS)增加。迄今為止，已有一些研究考慮了L-PBF過程中生長形態(tài)對合金HCS的影響。然而，溶質偏析是影響凝固過程中晶粒凝聚行為的一個直接因素，但在目前的L-PBF合金設計策略中卻很少考慮。到目前為止，大多數(shù)研究都使用非均相形核來抑制L-PBF AM中柱狀生長。盡管在激光粉末床融合過程中存在胞狀和枝晶生長模式的溶質偏析，但溶質偏析對L-PBF加工合金凝固行為的影響尚不清楚。

美國北德克薩斯大學的研究人員使用了晶界偏析工程的概念來抑制L-PBF中固有的柱狀生長并產生MHH，還分析了溶質偏析對合金HCS、顯微組織和力學性能的影響。相關論文以題為“Segregation engineering of grain boundaries of a metastable Fe-Mn-Co-Cr-Si high entropy alloy with laser-powder bed fusion additive manufacturing”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117271

本文合金為亞穩(wěn)態(tài)F40Mn20Co20Cr15Si5 (at.%) HEA(簡稱CS-HEA)，HEA粉末摻雜0.5 wt.%B4C粉末(簡稱CS-BC)，進行L-PBF處理，硼和碳會產生晶界偏析，導致晶界能降低，遷移率降低，因此這種效應可以抑制熱梯度驅動的柱狀生長，提高晶界強度，促進MHH。

研究發(fā)現(xiàn)硼和碳在晶界處具有較高的偏析傾向，增強了晶界能量。CS-BC中硼出現(xiàn)明顯晶界偏析。與制備的CS-HEA相比，制備的CS-BC中柱狀生長受到抑制，立方織構受到抑制，晶粒尺寸更小，微觀結構以γ-fcc為主。此外，固溶、堆垛層錯、析出相和晶粒尺寸的變化構成了CS-BC微觀結構的非均勻性和層次性。這樣的MHH提高了CS-BC的屈服強度(＞1 GPa)并產生了極高的加工硬化速率。而固溶體中C的保留穩(wěn)定了CS-BC的γ相，抑制了相變誘導塑性(TRIP)。在L-PBF過程中溶質偏析對合金HCS影響的理論框架表明，合金元素增強了晶界偏析，同時也促進了凝固過程中的晶界釘扎作用，防止了熱裂，從而拓寬了合金無裂紋的L-PBF加工窗口。

圖1 CS-HEA和CS-BC的EBSD結果對比

圖2 孿晶和堆垛層錯圖

圖3 對于加工窗口較寬的合金，MHH的屬性可以進行微調，圖為不同參數(shù)下的CS-BC粒度分布變化

圖4 CS-BC 120-800退火試樣的元素分布、晶界析出和層錯分析

本文研究了溶質偏析對摻雜0.5 wt.% B4C的亞穩(wěn)態(tài)F40Mn20Co20Cr15Si5高熵合金凝固行為、顯微組織和力學性能的影響。在CS-BC的退火過程中，γ-fcc相在晶界處形成了富碳析出，并重新建立了亞穩(wěn)態(tài)。這種亞穩(wěn)態(tài)在拉伸變形過程中表現(xiàn)為TRIP效應。與CS-HEA相比，退火后的CS-BC表現(xiàn)出更高的強度和更高且持續(xù)的WHR。寬無裂紋的加工窗口和MHH的協(xié)同作用允許L-PBF的特定應用制造，因為其組織和力學性能可以根據(jù)結構應用的要求進行微調。這種合金設計策略可能會將增材制造工藝擴展到廣泛的結構應用領域。