西工大蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)：高強(qiáng)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(xué)深圳研究院；西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：材料科學(xué)與工程

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種激光粉末床熔融制備新型SiC陶瓷顆粒增強(qiáng)共晶高熵合金復(fù)合材料新方法。室溫拉伸測(cè)試結(jié)果表明，EHEA復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)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(jìn)金屬材料性能的領(lǐng)先水平。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較大尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(zhǎng)柱狀晶的補(bǔ)液能力有限以及凝固收縮導(dǎo)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(kuò)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(qiáng)度相和高塑性相交替排列的復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)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(diǎn)。此外，第二相增強(qiáng)等傳統(tǒng)的強(qiáng)化手段也逐漸被引入增強(qiáng)單相高熵合金。近年來(lái)，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?fù)诫s或陶瓷顆粒增強(qiáng)高熵合金復(fù)合材料，能夠通過(guò)多種強(qiáng)化機(jī)制協(xié)同作用克服強(qiáng)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(qiáng)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)。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(qiáng)化提供了良好的基礎(chǔ)。

本文亮點(diǎn)
利用激光粉末床熔融開(kāi)發(fā)新型共晶高熵合金復(fù)合材料，有望實(shí)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(jìn)共晶高熵合金的工程化應(yīng)用。

圖文解析

開(kāi)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(gè)狹長(zhǎng)的補(bǔ)液通道，熔體中不規(guī)則顆粒的存在進(jìn)一步阻礙熔體補(bǔ)縮；增強(qiáng)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(qiáng)度，當(dāng)邊緣變形量過(guò)大時(shí)宏觀裂紋產(chǎn)生。

圖1 開(kāi)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(duì)錯(cuò)配度

圖2 開(kāi)裂機(jī)制示意圖: (a) 凝固裂紋形成傾向; (b) 冷裂紋形成傾向

機(jī)械性能各向異性
顯微硬度測(cè)試和室溫壓縮性能測(cè)試表明，復(fù)合樣品表現(xiàn)出機(jī)械性能的各向異性。當(dāng)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(qiáng)度，較低的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)加載方向垂直于構(gòu)建方向，試樣具有較低的壓縮屈服強(qiáng)度和相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度。從力學(xué)各向異性的角度來(lái)看，試樣屈服強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，說(shuō)明導(dǎo)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(cè)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度的增加可能是源自于固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化，需要在未來(lái)進(jìn)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(xué)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(qiáng)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(jì)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(dòng)高熵合金的工程化應(yīng)用。

課題組簡(jiǎn)介
蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，中國(guó)有色金屬創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先計(jì)劃獲得者，入選國(guó)家首批“香江學(xué)者”計(jì)劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人和陜西重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。長(zhǎng)期從事先進(jìn)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(guó)家自然基金重點(diǎn)、優(yōu)青等7項(xiàng)國(guó)家基金在內(nèi)的30余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)重要科研項(xiàng)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(guó)發(fā)明專利50項(xiàng)以及2項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高�？茖W(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀成果特等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、全國(guó)有色金屬優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)和陜西青年科技獎(jiǎng)各1項(xiàng)。


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.