深圳大學(xué)頂刊：增材制造析出強(qiáng)化高熵合金的強(qiáng)化和斷裂機(jī)理！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

高熵合金作為一種新型的金屬材料，其出現(xiàn)大大拓展了合金設(shè)計(jì)思路。多組元高摩爾比混合帶來(lái)的高構(gòu)型熵賦予高熵合金很多獨(dú)特性能，但高熵合金最初的設(shè)計(jì)理念是運(yùn)用固溶強(qiáng)化提升強(qiáng)度，其增強(qiáng)效果有限，所以高熵合金力學(xué)性能還有很大提升空間。增材制造（又稱3D打�。┦且环N革命性的生產(chǎn)手段，其出現(xiàn)極大拓展了三維部件的設(shè)計(jì)和制造自由度。此外，金屬材料在打印成形同時(shí)引入高密度位錯(cuò)，同時(shí)快冷帶來(lái)細(xì)小晶粒，因此增材制造還是一種提升材料力學(xué)性能的高效途徑。雖然前期人們已經(jīng)采用增材制造技術(shù)制備了幾種析出強(qiáng)化高熵合金，但具體內(nèi)在強(qiáng)化機(jī)制還存在爭(zhēng)議，并且人們對(duì)高熵合金斷裂機(jī)理的研究還較少。

基于此，深圳大學(xué)增材制造研究所劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)與深圳技術(shù)大學(xué)楊燦副教授、香港城市大學(xué)楊濤教授、東南大學(xué)賈喆教授合作，采用選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)制備了(FeCoNi)86Al7Ti7析出強(qiáng)化高熵合金，通過(guò)不同溫度時(shí)效熱處理研究析出相對(duì)高熵合金強(qiáng)度和塑性的影響，揭示了增材制造高熵合金的強(qiáng)化機(jī)制和斷裂機(jī)理。相關(guān)研究成果以題“Strengthening and fracture mechanisms of a precipitation hardening high-entropy alloy fabricated by selective laser melting”發(fā)表于增材制造頂刊Virtual and Physical Prototyping。

論文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17452759.2022.2037055

研究結(jié)果表明，時(shí)效熱處理后在SLM打印(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金組織不同位置析出共格L12相和非共格L21相，其中L12相析出于位錯(cuò)胞內(nèi)部，而L21相析出于位錯(cuò)胞三叉界面。從而，該高熵合金屈服強(qiáng)度從打印態(tài)710MPa提高到1201 MPa，但同時(shí)伴隨著塑性的降低。理論分析表明，共格L12相的有序強(qiáng)化貢獻(xiàn)了絕大部分強(qiáng)度提升，而時(shí)效處理后塑性的降低是由非共格析出相L21含量的增多引起。進(jìn)一步，針對(duì)增材制造高熵合金獨(dú)特的斷裂特征，提出了適用于增材制造金屬材料的新型斷裂模式—沿位錯(cuò)胞邊界斷裂（intercellular fracture），用以解釋位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)和斷口韌窩尺寸的強(qiáng)烈正相關(guān)特性。該研究不僅成功解釋了增材制造析出強(qiáng)化高熵合金的強(qiáng)化機(jī)理，還為增材制造金屬材料的塑性變形和斷裂過(guò)程提供了理論參考。

圖1. (a) 氣霧化(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金粉末形貌，插圖為粉末粒徑分布；(b) 選區(qū)激光熔化打印掃描策略。

圖2. (a) 體積能量密度對(duì)打印高熵合金相對(duì)致密度的影響；(b) 掃描速度和掃描間距對(duì)高熵合金相對(duì)致密度的影響。

圖 3. (a) 不同熱處理狀態(tài)高熵合金的XRD衍射譜；(b) 析出L12 和 L21相衍射峰局部放大圖。

圖4. 不同熱處理狀態(tài)高熵合金的組織結(jié)構(gòu)：(a-d) 打印態(tài)和時(shí)效態(tài)高熵合金晶粒取向分布圖； (e-g) 各種狀態(tài)高熵合金極圖；(h-j) 各種狀態(tài)高熵合金晶粒分布圖。

圖5. 各種熱處理狀態(tài)高熵合金精細(xì)組織TEM照片： (a) 打印態(tài)； (b) 和 (c) 時(shí)效熱處理500°C-2h狀態(tài), (d) 時(shí)效500°C-4h；(e) 和 (f) 時(shí)效780°C-2h；(a1) 和 (e1) 分別為打印和時(shí)效780°C-2h高熵合金位錯(cuò)胞元素分布；(g) 和 (h)分別為析出有序相L21 和 L12選區(qū)電子衍射花樣。

圖 6. (a) 不同狀態(tài)高熵合金的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 其對(duì)應(yīng)真應(yīng)力應(yīng)變曲線和加工硬化速率曲線.

圖7. 不同狀態(tài)高熵合金拉伸斷口形貌：(a) 打印態(tài)； (b) 時(shí)效 500°C-2h；(c) 時(shí)效500°C-4h； (d) 時(shí)效 780°C-2h；(e) 位于斷口韌窩底部的納米顆粒及其成分線掃分布。

圖 8. (a) 不同結(jié)構(gòu)要素對(duì)打印高熵合金屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；(b) 選區(qū)激光熔化打印不同高熵合金力學(xué)性能比較。

圖9. (a) 高熵合金塑性隨L21 相體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)；(b) 熱處理對(duì)高熵合金位錯(cuò)胞和韌窩尺寸的影響規(guī)律。

圖10.時(shí)效780°C-2h高熵合金TEM拉伸斷口觀察：(a)非共格L21相周圍位錯(cuò)纏結(jié)；(b)微孔洞形成于基體/L21相之間的非共格界面；(c)微裂紋沿位錯(cuò)胞邊界擴(kuò)展；(d)元素在位錯(cuò)胞邊界的分布。

圖11. 增材制造析出強(qiáng)化高熵合金在熱處理過(guò)程組織演變以及沿位錯(cuò)胞邊界斷裂機(jī)理示意圖。