亞穩(wěn)Fe-Mn-Co-Cr-Si高熵合金激光粉末床熔合增材晶界偏析工程

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，本文提出了一個(gè)理論框架，表明邊界強(qiáng)化隔離劑可以降低L-PBF過程中的合金HCS。這些發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)合金的設(shè)計(jì)，以促進(jìn)L-PBF的特定應(yīng)用制造，從而擴(kuò)大L-PBF在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的應(yīng)用范圍。

激光粉末床聚變（L-PBF）增材制造提供了前所未有的微觀結(jié)構(gòu)微調(diào)能力。自然，從這種能力中獲益需要能夠適應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和層次性（MHH）并表現(xiàn)出低熱裂紋敏感性（HCS）的合金。然而，以毛細(xì)管效應(yīng)和應(yīng)變調(diào)節(jié)能力差為特征的柱狀生長在L-PBF中普遍存在，并增加了加工合金的HCS。此外，盡管在L-PBF期間溶質(zhì)偏析在細(xì)胞和樹枝狀生長模式中很突出，但溶質(zhì)偏偏析對(duì)合金HCS和L-PBF加工窗口的影響仍有待廣泛探索。這里，我們證明了溶質(zhì)偏析影響了摻有0.5重量%B4C（稱為CS-BC）的亞穩(wěn)Fe40Mn20Co20Cr15Si5（at.%）高熵合金（CS-HEA）的柱狀生長、凝固過程中的晶粒聚結(jié)行為、MHH和機(jī)械性能。提出了一個(gè)理論框架，表明邊界強(qiáng)化隔離劑可以降低L-PBF過程中的合金HCS。這些發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)合金的設(shè)計(jì)，以促進(jìn)L-PBF的特定應(yīng)用制造，從而擴(kuò)大L-PBF在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的應(yīng)用范圍。

圖形摘要

1 介紹

精確的控制系統(tǒng)，以及在較小的熔池體積上大幅度變化的熱梯度（G）和生長速率（R），使得激光粉末床聚變（L-PBF）具有前所未有的能力，能夠生成分級(jí)特征（跨越多個(gè)長度尺度的特征）和異質(zhì)特征（細(xì)晶粒和粗晶粒的相和/或疇不同的特征）。

盡管L-PBF中的精確控制系統(tǒng)可以允許在近細(xì)觀或宏觀長度尺度上微調(diào)結(jié)構(gòu)特征，但仍需要促進(jìn)MHH的微結(jié)構(gòu)柔性和可打印材料。非等原子高熵合金（HEAs）對(duì)這種MHH具有很好的適應(yīng)性。Mishra等人和Nene等人的評(píng)論總結(jié)了成分的微調(diào)如何導(dǎo)致層錯(cuò)能的改變，從而激活變形機(jī)制，如異相亞穩(wěn)HEAs中的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）。此外，由固溶體和沉淀物產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)層次導(dǎo)致HEA表現(xiàn)出固溶體和沉淀強(qiáng)化機(jī)制。材料中的這種層次結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性導(dǎo)致了優(yōu)異的強(qiáng)度-延性協(xié)同作用。最新技術(shù)還證實(shí)了L-PBF處理的HEA的微觀結(jié)構(gòu)層次和異質(zhì)性。因此，L-PBF在多個(gè)長度尺度上定制結(jié)構(gòu)特征的前所未有的能力與HEAs的分層和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)形成能力是一種有趣的協(xié)同作用。

表示合金設(shè)計(jì)策略從傳統(tǒng)高熵合金到CCA的轉(zhuǎn)變的示意圖。

雖然HEA設(shè)計(jì)方法是變革性的，并將溶劑-溶質(zhì)合金范式應(yīng)用于多主元素，但等原子方法非常有限（上圖）。該方法可以從組合搜索空間的等原子中心點(diǎn)擴(kuò)展到非等原子組合。與此相一致的是，從單相固溶合金轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸喾N強(qiáng)化機(jī)制的多相多主元素合金。除了固溶強(qiáng)化之外，還可以添加三個(gè)不同的考慮因素：（a）降低堆垛斷層能量以促進(jìn)完全位錯(cuò)分解為部分，（b）形成第二相以增加沉淀強(qiáng)化，以及（c）通過促進(jìn)晶粒細(xì)化，形成變形誘導(dǎo)的孿晶和變形誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)變來強(qiáng)化界面。通過選擇性地選擇除主要組成元素之外的次要元素，非等摩爾復(fù)雜聚精合金（CCA）可以提供機(jī)會(huì)來定制微觀結(jié)構(gòu)，以觸發(fā)不同變形階段的各種機(jī)制。

盡管L-PBF工藝具有優(yōu)點(diǎn)，但某些缺點(diǎn)刺穿了加工合金的機(jī)械性能，并抑制了L-PBF在制造應(yīng)用中的更廣泛應(yīng)用。一開始，盡管改變L-PBF中的G和R對(duì)于生產(chǎn)MHH至關(guān)重要，但在柱狀生長有利的熔池內(nèi)可能存在一定的熱梯度和生長速率。

為L-PBF增材制造設(shè)計(jì)抗熱裂HEA需要全面了解影響合金HCS的因素。迄今為止，幾項(xiàng)研究已經(jīng)考慮了L-PBF過程中生長形態(tài)（柱狀或等軸）對(duì)合金HCS的影響。L-PBF中發(fā)生的細(xì)胞和樹突狀生長在凝固初期通過細(xì)胞間/枝晶間區(qū)域的溶質(zhì)排斥進(jìn)行，在凝固后期（當(dāng)晶粒形成時(shí)）通過晶界的溶質(zhì)抑制進(jìn)行。已知溶質(zhì)原子的這種偏析會(huì)影響晶界的內(nèi)聚性、能量和遷移率。值得注意的是，晶界的這些特征決定了它們的強(qiáng)度和凝固過程中的聚結(jié)行為，因此可能影響HCS。有趣的是，已經(jīng)開始努力探索隔離對(duì)HCS的影響。

（a1-4）分別用圖像質(zhì)量圖、IPF圖、相位圖和KAM對(duì)裂紋周圍進(jìn)行高倍掃描的示例，以顯示疲勞裂紋周圍的轉(zhuǎn)變；（b）在3305720次循環(huán)失效后，在580 MPa循環(huán)應(yīng)力下測(cè)試的樣品的斷口圖；（c）裂紋處的BSE圖像顯示疲勞裂紋分支，以及（d）將DP-5Si-HEA與其他常規(guī)抗疲勞合金的疲勞性能進(jìn)行比較的概述圖。

2.方法

2.1.在L-PBF中實(shí)施隔離工程
在Fe中，硼和碳在晶界處具有強(qiáng)烈的偏析傾向。這些元素的偏析導(dǎo)致晶界能量降低，晶界內(nèi)聚力增強(qiáng)，從而增強(qiáng)晶界。因此，非等原子亞穩(wěn)F40Mn20Co20Cr15Si5（at.%）HEA（稱為CS-HEA）粉末摻雜有0.5重量%的B4C粉末（以下稱為CS-BC），并用L-PBF處理，同時(shí)考慮以下含義：

a）硼可能向邊界偏析，并導(dǎo)致邊界能量和遷移率降低，以及邊界內(nèi)聚力增強(qiáng)。因此，這種效應(yīng)可以抑制L-PBF中的熱梯度驅(qū)動(dòng)的柱狀生長，并提高晶界強(qiáng)度。

b）晶界/晶胞邊界處的硼偏析可能導(dǎo)致在這些邊界處形成硼化物，從而導(dǎo)致凝固過程中的邊界釘扎和柱狀生長的抑制。硼化物的形成也會(huì)增加MHH。

c）與（a）中提到的硼添加的效果類似，碳可以向邊界偏析，并有助于抑制柱狀生長、增強(qiáng)邊界內(nèi)聚力和增強(qiáng)晶界強(qiáng)度。

d）邊界處的碳偏析可能導(dǎo)致碳化物的形成，從而釘扎晶粒和/或晶胞邊界，從而抑制凝固期間的柱狀生長。碳化物的形成也會(huì)增加MHH。

3.結(jié)果
3.1.竣工微觀結(jié)構(gòu)

圖1顯示了CS-HEA和CS-BC的SGSS生成溫度（T）與固體摩爾分?jǐn)?shù)（Fs）曲線和凝固路徑�？紤]到B和C在邊界處偏析的高趨勢(shì)，這些相可能在凝固期間在晶胞和/或晶界處形成。這樣的相不僅增加了微觀結(jié)構(gòu)的層次，而且還可以固定邊界。

圖1 CS-HEA和CS-BC的Scheil-Gulliver凝固行為。描述CS-HEA和CS-BC凝固路徑的T-Fs曲線。

CS-HEA樣品的反極圖（IPF）圖（圖2（A））和極圖（圖3（b））顯示了f.c.c.晶粒的明顯柱狀生長以及強(qiáng)烈的立方織構(gòu)。顯然，B4C的添加導(dǎo)致了具有細(xì)晶粒和粗晶粒區(qū)域的非均勻晶粒結(jié)構(gòu)（圖2（c）），并削弱了CS-BC 120-800試樣中f.c.c.晶粒的立方織構(gòu)（圖2）。

圖2 與CS-HEA相比，EBSD測(cè)量描繪了竣工CS-BC內(nèi)抑制的柱狀生長和γ-f.c.c.主導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)。

圖3（a）中的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描TEM（HAADF-STEM）圖像和圖3（b）中的EDS圖證實(shí)了建成的CS-BC 120-800樣品中b在細(xì)胞邊界處的分離。在晶胞邊界，Mn和Cr富集區(qū)也可見于圖3（g）和3（h）。

圖4（a）和4（b）分別對(duì)應(yīng)于竣工CS-HEA（沿[011]的區(qū)域軸）和CS-BC 120-800（沿[001]的區(qū)域軸線）試樣。插圖中的衍射圖案（DPs）證實(shí)了這兩幅圖像都是從γ-f.c.c.相區(qū)獲得的。孿晶在CS-HEA樣品中很突出，也可以看到層錯(cuò)，而在CS-BC樣品中明顯存在高密度的交叉層錯(cuò)。

圖4 竣工樣品中的孿晶和層錯(cuò)。BFTEM圖像顯示（a）CS-HEA中的孿晶，和（b）CS-BC 120-800樣品中的單元內(nèi)的高密度交叉層錯(cuò)。

3.2.CS-BC的L-PBF加工窗口及其微觀結(jié)構(gòu)含義

圖5（a）-（d）顯示了從不同竣工CS-BC樣品的XRM獲取的2D切片（構(gòu)建方向沿著圖像的垂直軸）。XRM顯示所有工藝參數(shù)均無裂紋；這表明具有L-PBF的CS-BC具有寬的無裂紋加工窗口。5（a）-（b）是L-PBF中常見的LOF缺陷類型。相反，在120-800（圖5（c））和150-800（見圖5（d））樣品中觀察到球形孔。

圖5 竣工CS-BC試樣的XRM。（a）–（d）從不同CS-BC樣品獲得的2D切片；用相應(yīng)的樣本ID標(biāo)記圖像。

圖6顯示了在不同參數(shù)下處理的CS-BC樣品的粒度的后續(xù)比較。隨著激光功率的增加，晶粒尺寸分布向較粗側(cè)移動(dòng)（圖6）。對(duì)于相同的激光功率，掃描速度較低的樣品呈現(xiàn)出較粗的分布。

圖6 對(duì)于具有寬加工窗口的合金，MHH的屬性可以進(jìn)行微調(diào)。

3.3.竣工試件的力學(xué)性能

圖7（a）顯示了竣工CS-HEA和120-800 CS-BC試樣的拉伸工程應(yīng)力與工程應(yīng)變曲線。還提供了從各個(gè)斷裂試樣中獲取的相位圖。

圖7 竣工CS-BC和CS-HEA試樣的拉伸變形行為。（a）竣工CS-HEA和CS-BC 120-800試樣的工程應(yīng)力與工程應(yīng)變曲線，以及從其斷裂試樣獲得的相圖。（b） CS-HEA和CS-BC 120-800試樣的加工硬化響應(yīng)。（c）不同CS-BC竣工試樣的工程應(yīng)力與工程應(yīng)變曲線。

3.4.CS-BC 120-800試樣的退火
迄今為止所報(bào)告的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性表明，γ-f.c.c.相具有高穩(wěn)定性，抑制了TRIP效應(yīng)，并導(dǎo)致了竣工CS-BC HEA的延性損失。圖8（a）和8（b）分別顯示了竣工和退火CS-BC 120-800樣品的背散射電子（BSE）圖像。在SEM級(jí)別的分辨率下，在竣工樣品中，晶粒和細(xì)胞邊界處的任何沉淀都不明顯；然而，退火在這些邊界處導(dǎo)致明顯的沉淀。圖8（c）是疊加在圖像質(zhì)量圖上的EBSD相位圖；EBSD測(cè)量是從圖8（b）所示的相同區(qū)域獲得的。

圖8 CS-BC 120-800樣品中γ相穩(wěn)定性與晶胞和晶界沉淀行為的相關(guān)性。（a）竣工CS-BC的SEM顯微照片，顯示無細(xì)胞和晶界沉淀。（b）退火CS-BC樣品的SEM顯微照片，在某些晶粒內(nèi)有明顯的晶界沉淀，以及（c）相應(yīng)的EBSD相圖，顯示了沉淀的相演化。

進(jìn)行了詳細(xì)的TEM表征，以確定退火時(shí)在ε-h.c.p區(qū)的晶胞邊界上看到的第二相沉淀物的元素組成和晶體結(jié)構(gòu)。表征這些沉淀物對(duì)于確定是否從固溶體中耗盡C并隨后形成含C的第二相沉淀物非常重要。從固溶體中消耗C以形成第二相沉淀物將解釋退火時(shí)γ-f.C.C.相穩(wěn)定性降低的原因。圖9（a）表示從退火CS-BC 120-800樣品獲得的弱束暗場(chǎng)TEM顯微照片，可以清楚地看到沉淀物“裝飾”細(xì)胞邊界。圖9（b）-（h）顯示了從圖9（a）的紅色突出顯示區(qū)域獲取的相應(yīng)EDS圖。圖9（i）顯示了BFTEM圖像，相應(yīng)的DP也如圖9（j）所示。值得注意的是，在退火條件下仍然可以看到交叉的層錯(cuò)（圖9（i））。PED相圖與來自基質(zhì)和不同沉淀物的DPs一起顯示在圖9（k）中。

圖9 退火CS-BC 120-800樣品中的晶界沉淀、元素分布、穩(wěn)定的ε-h.c.p.相和層錯(cuò)。

3.5.退火CS-BC 120-800試樣的力學(xué)行為

圖10（a）顯示了退火CS-BC 120-800試樣的工程應(yīng)力與工程應(yīng)變曲線。圖11描述了溶質(zhì)偏析對(duì)合金界面能和凝固行為的可能影響。

圖10 退火CS-BC 120-800試樣的拉伸變形行為。（a）工程應(yīng)力與工程應(yīng)變曲線（b）加工硬化響應(yīng)和（c）顯示斷裂時(shí)相演化的EBSD相圖。

圖11描述了溶質(zhì)偏析對(duì)合金界面能和凝固行為的可能影響。

（a-d）在相似的FSP條件下（350 RPM），隨著Si的加入，亞穩(wěn)態(tài)HEA的微觀結(jié)構(gòu)演變，（e）在相似FSP條件中，所有HEA的ε相穩(wěn)定分?jǐn)?shù)與基體平均晶粒尺寸的關(guān)系。

上圖（a-d）總結(jié)了一些新設(shè)計(jì)的亞穩(wěn)TRIP HEA的微觀結(jié)構(gòu)演變實(shí)例，即DP-5Si-HEA和CS-HEA與DP-HEA和DP-iHEA在類似的FSP條件下進(jìn)行比較。很明顯，Si添加完全改變了微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而在室溫下產(chǎn)生了>80%ε馬氏體相（圖（c和d）），這在早期的TRIP鋼或高熵合金中是不可行的。圖（a-d）也支持熱力學(xué)預(yù)測(cè)，并表明CS-HEA和DP-5Si-HEA應(yīng)該具有非常高的驅(qū)動(dòng)力（ΔGγ→ε），因此顯示出非常高的ε分?jǐn)?shù)。此外，圖（e）將每個(gè)高熵合金中穩(wěn)定的ε相分?jǐn)?shù)與獲得的平均晶粒尺寸相關(guān)聯(lián)。Li等人和Nene等人聲稱，晶粒尺寸和ε分?jǐn)?shù)決定了亞穩(wěn)高熵巖中TRIP效應(yīng)的傾向。通過添加Si可以看出，在類似的FSP加工條件下，晶粒尺寸可以很容易地細(xì)化到亞微米級(jí)，形成更高的ε相比例。因此，圖（e）強(qiáng)調(diào)，由于設(shè)計(jì)了FSP處理的含硅亞穩(wěn)高熵合金，探索了一個(gè)未經(jīng)研究的ε餾分晶粒尺寸域。

4.討論

4.1.邊界偏析對(duì)L-PBF中柱狀生長和合金HCS的影響

界面由懸垂的鍵組成，因此表現(xiàn)出比固體其余部分更高的自由能。凝固前，界面能等于固液界面的界面能（γSL），而完全凝固后，該界面能表現(xiàn)為晶界能（γGB）。

在L-PBF中實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的一種廣泛使用的方法是通過在與Al只有較小程度的晶格參數(shù)失配的強(qiáng)力初級(jí)顆粒上對(duì)Al進(jìn)行Al晶粒的HN。隨之而來的裂紋敏感柱狀晶粒的比例降低，提高了合金的打印適性。對(duì)于等軸生長，熱量必須從晶體散發(fā)到熔體中（G<0），而在L-PBF中，熱量相反地與生長方向相反消散，即，從熔體到晶體，向下到基材（G>0）。因此，需要在增長前沿之前足夠大的欠冷以促進(jìn)等軸增長。HN通過允許基質(zhì)晶體在與基質(zhì)有小程度的晶格參數(shù)失配且在相對(duì)較小的過冷度下生長的原子核上生長來降低成核勢(shì)壘。當(dāng)?shù)容S晶粒在許多原子核上生長時(shí)，它們相互撞擊以及生長的柱狀晶體，從而抑制柱狀生長。在與凝固加工相關(guān)的文獻(xiàn)中，這種現(xiàn)象被稱為CET，在L-PBF AM中非常重要。

各種L-PBF加工和常規(guī)加工鋁合金的室溫屈服強(qiáng)度-延展性變化概述。

相互依賴?yán)碚摽梢赃M(jìn)一步用于獲得增強(qiáng)的晶粒細(xì)化。相互依存理論預(yù)測(cè)在以下條件下晶粒細(xì)化增強(qiáng)：（a）低成核過冷（成核所需的臨界過冷）;（b）高體質(zhì)過冷（與液體中的溶質(zhì)排斥有關(guān)，在增長前沿之前）;（c）小的顆粒間分離（促進(jìn)HN的有效核之間的距離）。值得注意的是，通過CET進(jìn)行晶粒細(xì)化可能會(huì)在熔池中存在或不存在強(qiáng)效原核的情況下發(fā)生。然而，缺乏有效的初級(jí)核將需要一組特定的工藝參數(shù)以及具有高生長限制因子的溶質(zhì)原子，以促進(jìn)高體質(zhì)過冷和低成核過冷。

4.2.機(jī)械性能（竣工試件）

與竣工CS-HEA（圖7（a）、7（c））相比，所有竣工CS-BC試樣的強(qiáng)度都有了顯著提高，這是由于前者中的MHH觸發(fā)了多種變形機(jī)制。在建成的CS-BC樣品中，觀察到以慢掃描速度和低激光功率處理的樣品中的高YS趨勢(shì)（圖7（c））。這種趨勢(shì)歸因于在這些試樣中形成了較小的熔池體積，其冷卻速度更快。更快的冷卻速度反過來導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化（圖6），從而導(dǎo)致高YS（圖7（c））。有趣的是，試樣120-800表現(xiàn)出更寬的晶粒尺寸分布（圖6），也表現(xiàn)出良好的協(xié)同強(qiáng)度延展性以及高的加工硬化率（圖7（c））。

4.3.退火對(duì)偏析行為、相穩(wěn)定性和力學(xué)行為的影響

與竣工CS-HEA樣品相比，竣工CS-BC樣品中γ相穩(wěn)定性的增加與前者固溶體中C的保留有關(guān)。與B相比，C在γ-f.C.C.中的溶解度更高，因此B向細(xì)胞邊界偏析，而C在L-PBF中快速凝固的條件下保留在固溶體中（圖3（B）–（C））。由于其尺寸較小，C可以容納在間隙γ-f.C.C.晶格位點(diǎn)內(nèi)。相反，B原子具有特殊的大小；它太大而不能容納在間隙位點(diǎn)內(nèi)，太小而不能容納于γ晶格的取代位點(diǎn)內(nèi)。因此，B原子的高度失配導(dǎo)致其高度偏析傾向。退火后，γ→ε相變?cè)贑S-BC 120-800樣品中明顯（圖8（c））。這種相變歸因于固溶體中C的耗盡及其在晶胞和晶界的偏析，以形成第二相粒子（圖9（d））。發(fā)生C從固溶體中耗盡而形成這些顆粒的那些細(xì)胞和顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)棣畔啵▓D8（b）–（C））。因此，退火的CS-BC 120-800樣品表現(xiàn)出雙相異質(zhì)性。請(qǐng)注意，盡管建成的CS-HEA表現(xiàn)出具有ε主導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)的雙相異質(zhì)性（圖2（g）），但含C退火的CS-BC仍表現(xiàn)出γ主導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)（圖8（C）），這使其易于受到顯著的TRIP效應(yīng)。

4.4.2.L-PBF處理合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的晶界偏析和合金設(shè)計(jì)考慮

自然，除了影響凝固行為外，邊界偏析還影響L-PBF處理合金的機(jī)械性能，如本工作前面部分所述。因此，考慮邊界偏析對(duì)合金力學(xué)性能的影響對(duì)于L-PBF的合金設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一開始，任何脆化合金元素都會(huì)導(dǎo)致L-PBF加工部件的結(jié)構(gòu)完整性差，因?yàn)椴考�可能含有熱裂紋。對(duì)于強(qiáng)化型合金元素，分離的溶質(zhì)原子將導(dǎo)致細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并將增加合金的邊界和MHH的強(qiáng)度，而在凝固過程中可能形成的釘扎沉淀物將增加合金MHH。增強(qiáng)的MHH將允許存儲(chǔ)高密度的GND，從而有助于高強(qiáng)度。此外，邊界沉淀物的形成可導(dǎo)致高溫下的穩(wěn)定微觀結(jié)構(gòu)；然而，必須注意邊界沉淀的脆化效應(yīng)（如果有）。

L-PBF加工的AA7050中的晶間裂紋。晶間開裂發(fā)生在凝固的末期;柱狀生長極易受到這種類型的開裂的影響。

4.4.3.合金的寬L-PBF加工窗口的含義

隨著強(qiáng)化型合金元素的加入，隨著柱狀生長的抑制和晶界內(nèi)聚力的提高，L-PBF合金加工窗口變寬。這種加寬的加工窗口在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要意義，其中部件的微觀結(jié)構(gòu)要求通常隨結(jié)構(gòu)應(yīng)用而變化。圖12概述了L-PBF合金設(shè)計(jì)策略的關(guān)鍵要素，該策略考慮了偏析對(duì)合金凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。箭頭描述了基于偏析的合金設(shè)計(jì)考慮因素、凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、合金印刷性和性能之間的因果關(guān)系。

圖12 偏析影響合金凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能�？紤]偏析對(duì)合金凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響的合金設(shè)計(jì)策略可能導(dǎo)致合金在L-PBF增材制造中表現(xiàn)出良好的打印性能和高應(yīng)用特定性能。

5.結(jié)論

盡管溶質(zhì)偏析在激光粉末床熔合中發(fā)生的細(xì)胞和樹枝狀生長模式中普遍存在，但溶質(zhì)偏偏析對(duì)L-PBF處理合金凝固行為的影響仍然是未知的。在這項(xiàng)工作中，研究了溶質(zhì)偏析對(duì)0.5wt.%B4C摻雜的亞穩(wěn)F40Mn20Co20Cr15Si5高熵合金的L-PBF凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

硼和碳具有在晶界處偏析和增強(qiáng)晶界內(nèi)聚的高度傾向。因此，建成的CS-BC證明了在電池邊界處的硼偏析。與建成的CS-HEA相比，建成的CS-BC表現(xiàn)出抑制的柱狀生長、抑制的立方織構(gòu)、更細(xì)的細(xì)胞尺寸和γ-f.c.c.主導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)。此外，固溶體、層錯(cuò)、沉淀物和不同粒度構(gòu)成了竣工CS-BC內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和層次性。這種MHH導(dǎo)致竣工CS-BC的屈服強(qiáng)度增加（>1GPa）和非常高的加工硬化率。然而，固溶體中C的保留穩(wěn)定了γ相，并抑制了CS-BC中的相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)。

CS-BC的寬無裂紋加工窗口允許對(duì)其MHH和機(jī)械性能進(jìn)行微調(diào)。為理解L-PBF過程中溶質(zhì)偏析對(duì)合金HCS的影響而制定的理論框架表明，增強(qiáng)晶界內(nèi)聚力的合金元素還可以促進(jìn)凝固過程中的晶粒聚結(jié)，防止熱裂紋，因此可以拓寬合金的無裂紋L-PBF加工窗口。

CS-BC退火后，在晶胞和晶界形成富碳沉淀物，并重新建立了γ-f.c.c.相的亞穩(wěn)性。拉伸變形過程中的TRIP效應(yīng)表明了這種亞穩(wěn)性。與建成的CS-HEA相比，退火的CS-BC表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和更高且持續(xù)的WHR。此外，退火CS-BC的γ主導(dǎo)但亞穩(wěn)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了明顯的TRIP效應(yīng)。

寬無裂紋加工窗口和MHH的協(xié)同作用允許使用L-PBF進(jìn)行特定應(yīng)用制造，因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能可以根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的要求進(jìn)行微調(diào)。這種合金設(shè)計(jì)策略可以將基于熔合的增材制造工藝擴(kuò)展到廣泛的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

來源：Segregation engineering of grain boundaries of a metastable Fe-Mn-Co-Cr-Si high entropy alloy with laser-powder bed fusion additive manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117271

參考文獻(xiàn)：Design approaches for printability-performance synergy in Al alloys for laser-powder bed additive manufacturing; Mater. Des. (2021), Article 109640, 10.1016/j.matdes.2021.109640