深圳大學(xué)頂刊：增材制造析出強化高熵合金的強化和斷裂機理！

來源：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)計思路。多組元高摩爾比混合帶來的高構(gòu)型熵賦予高熵合金很多獨特性能，但高熵合金最初的設(shè)計理念是運用固溶強化提升強度，其增強效果有限，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)計和制造自由度。此外，金屬材料在打印成形同時引入高密度位錯，同時快冷帶來細(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)制備了幾種析出強化高熵合金，但具體內(nèi)在強化機制還存在爭議，并且人們對高熵合金斷裂機理的研究還較少。

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析出強化高熵合金，通過不同溫度時效熱處理研究析出相對高熵合金強度和塑性的影響，揭示了增材制造高熵合金的強化機制和斷裂機理。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相析出于位錯胞內(nèi)部，而L21相析出于位錯胞三叉界面。從而，該高熵合金屈服強度從打印態(tài)710MPa提高到1201 MPa，但同時伴隨著塑性的降低。理論分析表明，共格L12相的有序強化貢獻(xiàn)了絕大部分強度提升，而時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，針對增材制造高熵合金獨特的斷裂特征，提出了適用于增材制造金屬材料的新型斷裂模式—沿位錯胞邊界斷裂（intercellular fracture），用以解釋位錯胞結(jié)構(gòu)和斷口韌窩尺寸的強烈正相關(guān)特性。該研究不僅成功解釋了增材制造析出強化高熵合金的強化機理，還為增材制造金屬材料的塑性變形和斷裂過程提供了理論參考。

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) 體積能量密度對打印高熵合金相對致密度的影響；(b) 掃描速度和掃描間距對高熵合金相對致密度的影響。

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) 時效熱處理500°C-2h狀態(tài), (d) 時效500°C-4h；(e) 和 (f) 時效780°C-2h；(a1) 和 (e1) 分別為打印和時效780°C-2h高熵合金位錯胞元素分布；(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) 時效 500°C-2h；(c) 時效500°C-4h； (d) 時效 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)要素對打印高熵合金屈服強度的貢獻(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；(b) 熱處理對高熵合金位錯胞和韌窩尺寸的影響規(guī)律。

圖10.時效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)微裂紋沿位錯胞邊界擴展；(d)元素在位錯胞邊界的分布。

圖11. 增材制造析出強化高熵合金在熱處理過程組織演變以及沿位錯胞邊界斷裂機理示意圖。