西工大蘇海軍教授團隊：高強共晶高熵合金復(fù)合材料激光增材制造新突破

第一作者：郭一諾
通訊作者：蘇海軍
通訊單位：西北工業(yè)大學深圳研究院；西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室
來源：材料科學與工程

近日，西北工業(yè)大學蘇海軍教授團隊報道了一種激光粉末床熔融制備新型SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復(fù)合材料新方法。室溫拉伸測試結(jié)果表明，EHEA復(fù)合材料的極限抗拉強度約為1.5 GPa，延伸率為9%，處于目前采用激光增材制造工藝制備先進金屬材料性能的領(lǐng)先水平。同時發(fā)現(xiàn)，在較大尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件中會出現(xiàn)嚴重的宏觀橫向和縱向裂紋，以及少量微裂紋。研究分析表明，凝固微裂紋是由于長柱狀晶的補液能力有限以及凝固收縮導致的；宏觀裂紋的形成是由試樣邊緣的拉應(yīng)力積累引起的，微裂紋和孔隙所在的應(yīng)力集中區(qū)是裂紋主要的擴展位置。

研究背景
高熵合金(HEA)自2004年首次提出已發(fā)展近二十年，經(jīng)歷了第一代等原子單相向第二代非等原子多相的轉(zhuǎn)變。共晶高熵合金(EHEA)是一類極具發(fā)展前景的雙相高熵合金，以高強度相和高塑性相交替排列的復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了強度和塑性的良好匹配，已成為金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點。此外，第二相增強等傳統(tǒng)的強化手段也逐漸被引入增強單相高熵合金。近年來，采用增材制造技術(shù)制備高熵合金的研究發(fā)展迅速。研究表明，利用激光增材制造成形元素摻雜或陶瓷顆粒增強高熵合金復(fù)合材料，能夠通過多種強化機制協(xié)同作用克服強度-塑性平衡。然而，高熵合金復(fù)合材料的基體材料主要是FCC結(jié)構(gòu)單相高熵合金，其強度在結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面仍然存在較大的差距。最近，共晶高熵合金良好的激光成形性已被論文作者等多個研究團隊證實。尤其是，激光粉末床熔融成形的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金不僅展現(xiàn)了納米層片結(jié)構(gòu)，還表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，為硬質(zhì)顆粒強化提供了良好的基礎(chǔ)。

本文亮點
利用激光粉末床熔融開發(fā)新型共晶高熵合金復(fù)合材料，有望實現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)材料成分優(yōu)化、缺陷控制、性能提升的一體化成形，加快推進共晶高熵合金的工程化應(yīng)用。

圖文解析

開裂行為研究
宏觀裂紋的形成是凝固裂紋和冷裂紋共同作用的結(jié)果。首先在凝固后期，大柱狀晶呈現(xiàn)一個狹長的補液通道，熔體中不規(guī)則顆粒的存在進一步阻礙熔體補縮；增強顆粒和基體的熱膨脹系數(shù)差異使得界面處應(yīng)力集中，在凝固收縮的作用下誘發(fā)微裂紋產(chǎn)生。打印結(jié)束后，構(gòu)件頂端中心區(qū)域及底部邊緣區(qū)域承受顯著的拉應(yīng)力；大量孔隙在構(gòu)件邊緣區(qū)域堆積，降低邊緣強度，當邊緣變形量過大時宏觀裂紋產(chǎn)生。

圖1 開裂區(qū)域的EBSD結(jié)果: (a) 衍射質(zhì)量圖; (b) IPF圖; (c) KAM圖; (d) 晶粒對錯配度

圖2 開裂機制示意圖: (a) 凝固裂紋形成傾向; (b) 冷裂紋形成傾向

機械性能各向異性
顯微硬度測試和室溫壓縮性能測試表明，復(fù)合樣品表現(xiàn)出機械性能的各向異性。當加載方向平行于構(gòu)建方向(Building direction, BD)，試樣呈現(xiàn)較高的壓縮屈服強度，較低的抗壓強度；當加載方向垂直于構(gòu)建方向，試樣具有較低的壓縮屈服強度和相對較高的抗壓強度。從力學各向異性的角度來看，試樣屈服強度與抗壓強度呈現(xiàn)相反的趨勢，說明導致不同性能各向異性的主要因素不完全相同。

圖3 (a) 復(fù)合材料在水平和垂直截面上的顯微硬度值; (b) 復(fù)合材料沿構(gòu)建方向和垂直于構(gòu)建方向的壓縮性能曲線

圖4 復(fù)合材料泰勒因子分布圖: (a) 水平截面; (b) 垂直截面

室溫拉伸性能
拉伸性能測試表明，沉積態(tài)EHEA復(fù)合材料水平樣品（加載方向垂直于構(gòu)建方向）的屈服強度、抗拉強度和延展性分別為1147 ± 29 MPa, 1466 ± 26 MPa和9% ± 3%，優(yōu)于大多數(shù)未經(jīng)后處理的激光增材制造成形先進金屬結(jié)構(gòu)材料性能。與激光粉末床熔融制備的未添加陶瓷顆粒的純EHEA樣品相比，復(fù)合材料樣品的延展性明顯降低，這是由于硬質(zhì)顆粒和微裂紋的存在造成的。此外，試樣強度的增加可能是源自于固溶強化和位錯強化，需要在未來進行更深入的研究。

圖5 (a) 復(fù)合材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線; (b) 與激光增材制造成形高熵合金材料的室溫力學性能比較

總結(jié)與展望
本文探究了利用激光粉末床熔融制備SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復(fù)合材料的可行性，并成功證明了其作為高性能結(jié)構(gòu)材料的潛力。這些發(fā)現(xiàn)將為高熵合金復(fù)合材料的設(shè)計提供理論及技術(shù)基礎(chǔ)，使得具有高性能優(yōu)異成形性的新型高熵合金材料得到快速發(fā)展，從而加速推動高熵合金的工程化應(yīng)用。

課題組簡介
蘇海軍，西北工業(yè)大學材料學院教授、博士生導師。國家級領(lǐng)軍人才，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創(chuàng)新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創(chuàng)新團隊學術(shù)帶頭人和陜西重點科技創(chuàng)新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術(shù)與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復(fù)合陶瓷、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料，以及激光增材制造等。主持包括國家自然基金重點、優(yōu)青等7項國家基金在內(nèi)的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發(fā)表論文160余篇。獲授權(quán)中國發(fā)明專利50項以及2項美國發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高�？茖W技術(shù)研究優(yōu)秀成果特等獎、陜西省科學技術(shù)一等獎、陜西省冶金科學技術(shù)一等獎、全國有色金屬優(yōu)秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。


引用本文
Yinuo Guo, Haijun Su, Hongliang Gao, Zhonglin Shen, Yuan Liu, Di Zhao, Peixin Yang, Quandong Hu, Zhuo Zhang, Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 163 (2023) 81-91.