編織共晶片層結(jié)構(gòu)促使增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有超高強(qiáng)度和高能量吸收能力

來(lái)源：焊接切割聯(lián)盟

增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)近年來(lái)成為領(lǐng)域的研究熱門(mén)，人們傾向于通過(guò)改變點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提升其性能，但這種性能提升往往很有限，選用合適的材料進(jìn)行點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備是另一種有望實(shí)現(xiàn)性能突破的途徑。北京航空航天大學(xué)邱春雷教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊《Small Structures》 (IF: 13.9)上發(fā)表題為 “Woven eutectic lamellar structures lead to ultrahigh strength and energy absorption capacity in additively manufactured lattice structures”的文章，本文選用了一種高強(qiáng)共晶高熵合金并通過(guò)選區(qū)激光熔化制備出了一種高強(qiáng)、高損傷容限和超高能量吸收率的共晶高熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)打印態(tài)的點(diǎn)陣柱包含無(wú)數(shù)納米共晶片層組織，這些片層組織呈彎曲的長(zhǎng)條狀且相互纏繞，形成了一種編織微觀結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)帶來(lái)了前所未有的有效金屬?gòu)?qiáng)度、屈服強(qiáng)度、歸一化強(qiáng)度和比吸收能。在變形過(guò)程中，共晶高熵合金中的面心立方納米片層比體心立方的納米片層經(jīng)歷更大的變形，形成高密度位錯(cuò)和層錯(cuò)，導(dǎo)致優(yōu)異的塑性變形能力和能量吸收能力。兩相中的異質(zhì)變形行為會(huì)產(chǎn)生大的局部應(yīng)變梯度，進(jìn)而促進(jìn)強(qiáng)的背應(yīng)力強(qiáng)化效果。細(xì)小的共晶片層團(tuán)簇以及高密度的團(tuán)簇界面不僅有利于提高強(qiáng)度，同時(shí)還可以有效偏轉(zhuǎn)裂紋擴(kuò)展路徑，提升點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的損傷容限性能。不同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要通過(guò)改變點(diǎn)陣柱內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變分布以及宏觀變形和斷裂模式來(lái)影響點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

研究人員設(shè)計(jì)了兩種典型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)類(lèi)型（FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)），選用了一種高強(qiáng)共晶高熵合金并通過(guò)選區(qū)激光熔化制備出了高精度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。通過(guò)調(diào)控點(diǎn)陣柱直徑來(lái)獲得具有不同相對(duì)密度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。對(duì)制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)微觀組織表征發(fā)現(xiàn)，兩種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣柱內(nèi)均含有黑白鑲嵌的條帶，較亮的條帶共晶片層更細(xì)，較暗的條帶共晶片層更粗。每個(gè)條帶由一組取向相同的彎曲納米共晶片層團(tuán)簇組成，形成細(xì)長(zhǎng)的晶粒，這些共晶片層團(tuán)簇相互交織，構(gòu)筑了一種復(fù)雜的編織微觀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。這種編織微觀結(jié)構(gòu)的形成可能與增材制造點(diǎn)陣柱過(guò)程中復(fù)雜的熱歷史以及流體運(yùn)動(dòng)有關(guān)。EBSD研究表明這些共晶片層團(tuán)簇晶體取向各異，織構(gòu)水平較低，局域錯(cuò)配度分布非常均勻（見(jiàn)圖3）。

圖1  (a-c) FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與(d-f) BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意圖及打印態(tài)結(jié)構(gòu)圖：(a, d) 單胞模型；(b,e) 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型；(c, f) 打印態(tài)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu).

圖2  打印態(tài)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)微觀組織圖：(a) FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；(b) BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；(c-e) FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的共晶片層團(tuán)簇及形貌.

圖3  (a)3D打印的點(diǎn)陣柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)EBSD反極化圖彩圖，顯示晶粒呈長(zhǎng)條狀分布；(b)EBSD局部平均錯(cuò)配度分布圖（kernel average misorientation（KAM) map）；(c)極化圖顯示低的織構(gòu)水平；(d)晶界角度分布圖.

對(duì)制備的具有不同相對(duì)密度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮測(cè)試發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度、彈性模量均隨著相對(duì)密度的增加而提高，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)屈服后應(yīng)力沒(méi)有立即下降，相反地，應(yīng)力不斷在增長(zhǎng)或保持穩(wěn)定（見(jiàn)圖4a）。也因此，本研究制備的高熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出極高的比吸收能（見(jiàn)圖4a-b）。在具有相近相對(duì)密度的情況下，F(xiàn)CC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和比吸收能略高于BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在相同相對(duì)密度條件下，本研究制備的高熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比具有各型設(shè)計(jì)的其他金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更高的屈服強(qiáng)度和比吸收能（見(jiàn)圖4c），展現(xiàn)出更優(yōu)異的損傷容限能力。對(duì)相對(duì)密度為0.16的FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了落錘沖擊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)能量吸收能力（見(jiàn)圖5），其動(dòng)態(tài)吸收能高于鋁合金和Ti6Al4V點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。優(yōu)異的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)能量吸收能力使其成為生物醫(yī)學(xué)、航空航天領(lǐng)域的一種極具應(yīng)用潛力的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

圖4  打印態(tài)不同相對(duì)密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的(a) 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b) 比吸收能；(c) 屈服強(qiáng)度和(d) 比吸收能的對(duì)比.

圖5  相對(duì)密度為0.16的FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)落錘沖擊的(a)力-位移曲線和(b)能量吸收曲線.

對(duì)變形量為15 %和50 %的點(diǎn)陣樣品研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷15 %的變形量后，點(diǎn)陣柱仍保持良好的連接（見(jiàn)圖6a,e），在變形量為50 %時(shí)，點(diǎn)陣柱在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了斷裂（見(jiàn)圖6c,g），斷口處有大量的韌窩（見(jiàn)圖6d,h），表明發(fā)生了韌性斷裂。對(duì)斷裂后的點(diǎn)陣柱縱剖面研究發(fā)現(xiàn)，二次裂紋以穿晶模式擴(kuò)展，裂紋遇到不同共晶片層團(tuán)簇時(shí)均發(fā)生偏轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖6b,f），說(shuō)明編織的共晶片層可以有效改變裂紋擴(kuò)展路徑，進(jìn)而提高裂紋的擴(kuò)展能力。

圖6   (a-d) FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和(e-h) BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變下的形貌. (a, b, e ,f)變形量為15%; (c, d, g, h)變形量為50 %.

利用透射電子顯微鏡對(duì)變形量為15 %的BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，相比于BCC片層，F(xiàn)CC相片層中含有更高密度的位錯(cuò)和層錯(cuò)(見(jiàn)圖7d-f)，說(shuō)明FCC相經(jīng)歷了更廣泛的的塑性變形。FCC相片層優(yōu)異的塑性變形能力可以使點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在斷裂前發(fā)生顯著的整體塑性變形。為了進(jìn)一步研究?jī)煞N點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變形機(jī)理，對(duì)兩種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形進(jìn)行模擬，兩種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在變形時(shí)表現(xiàn)為不同的應(yīng)力應(yīng)變分布，在變形量為10 %時(shí)，F(xiàn)CC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布更加均勻，節(jié)點(diǎn)處有輕微的應(yīng)力集中，而B(niǎo)CC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變主要集中在節(jié)點(diǎn)處(見(jiàn)圖8-9)。在變形量為30 %時(shí)，F(xiàn)CC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變集中在對(duì)角線和中心區(qū)域，而B(niǎo)CC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變集中在節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域(見(jiàn)圖8-9)。這說(shuō)明不同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以通過(guò)影響應(yīng)力應(yīng)變分布來(lái)影響點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的宏觀變形模式及力學(xué)性能。

圖7  BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在變形量為15%時(shí)的變形亞結(jié)構(gòu)：(a-c)FCC和BCC片層結(jié)構(gòu)透射電鏡明場(chǎng)圖及選區(qū)衍射花樣；(d)兩相的位錯(cuò)分布圖；(e-f) FCC片層內(nèi)部的位錯(cuò)與層錯(cuò).

圖8   (a-c)FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和(d-f)BCC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中的應(yīng)力分布圖；(a, d) 初始狀態(tài); (b, e) 變形量為10%；(c, f)變形量為30%.

圖9  (a-c)FCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和(d-f)BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中的應(yīng)變分布圖；(a, d) 初始狀態(tài); (b, e) 變形量為10%；(c, f)變形量為30%.

原文下載：https://doi.org/10.1002/sstr.202400335.

通訊作者簡(jiǎn)介：

邱春雷，教授、博士生導(dǎo)師，于2010年獲得英國(guó)伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院博士學(xué)位。2011～2016年在伯明翰大學(xué)從事研究員工作。2016～2017年任職于英國(guó)卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院助理教授。過(guò)去十余年主要從事先進(jìn)近凈成形技術(shù)研究，包括激光增材制造、熱等靜壓近凈成形及熱擠壓成形技術(shù)。在鈦合金、高溫合金、鋁合金、高熵合金、鈦鋁合金、Invar合金、不銹鋼、難熔金屬等的激光增材制造成形性、激光材料交互作用、凝固行為、缺陷形成與抑制機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及力學(xué)行為等方面開(kāi)展了大量研究工作。突破了大型航空鈦合金結(jié)構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形和缺陷控制技術(shù)，成功制備出多個(gè)大型航空部件和結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)多種難成形高性能鋁合金和高熵合金的增材制造成形，開(kāi)發(fā)出多種具有完全等軸晶組織的新型高強(qiáng)韌鈦合金、鋁合金和高熵合金。作為主要研究者曾參與英國(guó)及歐盟多個(gè)主要近凈成形及金屬增材制造項(xiàng)目，先后與英國(guó)羅爾斯-羅易斯、BAE系統(tǒng)公司、法國(guó)賽峰公司、空客、泰雷茲公司、歐洲宇航局、北京航空材料研究院、中國(guó)商飛等國(guó)內(nèi)外主要航空航天公司及機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作研究。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等，參與兩機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)研究中心項(xiàng)目等。在Acta Materialia, Additive Manufacturing等期刊上發(fā)表70多篇SCI論文，被他引5000多次，H因子34,擁有美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng),英國(guó)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)。擔(dān)任Micromachines和Materials Science in Additive Manufacturing期刊編輯。

第一作者簡(jiǎn)介：

籍志勇，博士生，2020年至今就讀于北京航空航天大學(xué)邱春雷教授課題組。主要從事激光增材制造和高性能材料的研究。針對(duì)高熵合金的激光增材制造成形性、缺陷形成與抑制機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及力學(xué)行為等方面開(kāi)展了一些研究工作。在Small Structures、Applied Materials Today、Materials Characterization等期刊上發(fā)表6篇SCI論文。

來(lái)源：籍志勇博士供稿，編輯：張維官，審核：游小秀