3D打印高性能納米片層共晶高熵合金

來源：化學(xué)與材料科學(xué)


美國麻省大學(xué)（UMass-Amherst）陳文教授與佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）朱廷教授團隊合作在Nature期刊上發(fā)表了一篇題為“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”的研究成果。

該成果首次報道了通過激光3D打印技術(shù)來制備具有高強韌力學(xué)性能及各向同性特征的雙相納米片層共晶高熵合金，并通過三維原子探針、原位中子衍射、晶體塑性有限元模擬等表征手段揭示了合金的強韌化機理。

論文通訊作者為陳文、朱廷；第一作者為任杰、張寅。其他合作單位包括美國德州農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University）、美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、美國萊斯大學(xué)（Rice University）、美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）和美國加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）。

選區(qū)激光熔化技術(shù)（Laser powder bed fusion, L-PBF）中極高的溫度梯度和超快的冷卻速率，可以有效地細化晶粒從而實現(xiàn)材料的高強度。目前L-PBF技術(shù)制備的納米合金具有高強度但拉伸塑性低。材料強度和塑性的相互制衡（strength-ductility tradeoff）是材料科學(xué)中的普遍難題。通過將合金設(shè)計的焦點從相圖的角落轉(zhuǎn)移到中心，從而實現(xiàn)廣闊的成分和相空間，高熵合金的出現(xiàn)為合金設(shè)計和材料開發(fā)提供了一種新的范式。特別地，作為一種有潛力的高熵合金，共晶高熵合金具有雙相片層狀異構(gòu)組織，展示出比傳統(tǒng)合金更優(yōu)異的力學(xué)性能。傳統(tǒng)鑄造法制備的共晶片層組織在微米或亞微米尺度，嚴重限制了材料的強度。相反，納米片層組織具有高強度但塑性較低。另外，納米片層組織目前主要通過薄膜沉積和大塑性變形等方法制備，較強的織構(gòu)會導(dǎo)致材料存在各向異性的力學(xué)行為，限制了高熵合金在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

因此，美國麻省大學(xué)陳文團隊（blogs.umass.edu/wenchen/）利用L-PBF技術(shù)制備出高性能的雙相納米片層AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。該材料展示出優(yōu)異的強塑性匹配能力（屈服強度>1.3 GPa，且均勻延伸率大于14%），優(yōu)異的強塑性匹配能力明顯優(yōu)于目前公開報道的3D打印技術(shù)制備的其它合金。同時，利用原位中子衍射揭示了應(yīng)力在不同晶面及FCC和BCC相中的實時分配情況及兩相位錯密度的演變。佐治亞理工學(xué)院朱廷團隊（https://www.me.gatech.edu/faculty/zhu-1）開發(fā)了雙相材料晶體塑性有限元模型，首次揭示了BCC納米片層罕見的顯著加工硬化行為。

多尺度非平衡態(tài)納米片層組織實現(xiàn)強度塑性協(xié)同效應(yīng)。激光選區(qū)熔化打印過程中的極高溫度梯度和冷卻速率使AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金形成了多尺度非平衡態(tài)組織：具有隨機織構(gòu)的微米尺度共晶團（eutectic colony）中分布著BCC+FCC納米片層結(jié)構(gòu)（平均片層間距：~215 nm），BCC片層中的調(diào)幅分解進一步導(dǎo)致納米尺度化學(xué)異構(gòu)。共晶團的隨機晶體學(xué)取向和生長方向有助于實現(xiàn)材料的各向同性力學(xué)特性。

圖1：AM AlCoCrFeNi2.1的多尺度非平衡態(tài)組織表征。光學(xué)顯微組織像和EBSD結(jié)果表明共晶團（eutectic colony）具有隨機織構(gòu)（random texture）。HAADF和APT表征證實了BCC納米片層中的化學(xué)調(diào)幅（chemical modulation）。


圖2：（a）AM AlCoCrFeNi2.1的拉伸力學(xué)性能。（b）圖中紅色五角星代表本研究的結(jié)果，實心標志代表材料打印態(tài)性能，空心標志代表材料熱處理態(tài)性能。

BCC納米片層罕見的顯著加工硬化行為有助于提高材料的塑性。傳統(tǒng)BCC納米金屬由于缺乏應(yīng)變硬化行為而展現(xiàn)出有限的塑性。在這項研究中采用原位中子衍射、雙相晶體塑性有限元模擬及透射電鏡等手段均證明BCC納米片層比FCC納米片層具有更高的位錯密度增殖速率及加工硬化速率。變形過程中FCC片層及半共格片層界面的約束、具有不同取向的相鄰共晶團及共晶團界面的約束，以及BCC片層中的納米尺度化學(xué)異構(gòu)都有助于提高BCC納米片層的應(yīng)變硬化能力，從而提高材料的塑性。


圖3：通過原位中子衍射研究AM AlCoCrFeNi2.1的變形機理。（a）拉伸方向FCC和BCC特征晶面的晶格應(yīng)變（lattice strain）隨真應(yīng)力的演變，圖中標志和實線分別代表中子衍射實驗和晶體塑性有限元模擬結(jié)果。（b）拉伸過程中應(yīng)力在FCC和BCC相中的實時分布。（c）不同應(yīng)變下合金的中子衍射圖譜。（d）通過改進Williamson-Hall方法計算得到的FCC和BCC相位錯密度隨應(yīng)變的變化。


圖4：AM AlCoCrFeNi2.1的變形微結(jié)構(gòu)演變。（a-c）不同應(yīng)變下合金的虛擬明場旋進電子衍射（precession electron diffraction）圖，圖中紅色標志代表BCC納米片層，綠色標志代表FCC納米片層。（d-f）不同應(yīng)變下合金的高倍明場TEM圖，圖中黃色箭頭指明5%應(yīng)變量下FCC納米片層中的變形層錯（deformation-induced stacking faults），黃色虛線指明FCC-BCC相界面。（g-i）高分辨TEM圖顯示原子尺度FCC-BCC相界面特征。（j-l）不同應(yīng)變量下對應(yīng)的反快速傅里葉變換（IFFT）圖，圖中黃色圓圈指明刃型位錯（edge dislocations）。

該研究揭示了利用激光3D打印特有的熱物理場特性及高熵合金的多主原特性設(shè)計高性能雙相/多相，異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的思路。納米片層組織特有的強韌化機理可有效指導(dǎo)高性能鋁合金及鈦合金多相片層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

原文鏈接
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04914-8