深圳大学顶刊：增材制造析出强化高熵合金的强化和断裂机理！

2022-04-07 15:57:49 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

高熵合金作为一种新型的金属材料，其出现大大拓展了合金设计思路。多组元高摩尔比混合带来的高构型熵赋予高熵合金很多独特性能，但高熵合金最初的设计理念是运用固溶强化提升强度，其增强效果有限，所以高熵合金力学性能还有很大提升空间。增材制造（又称3D打印）是一种革命性的生产手段，其出现极大拓展了三维部件的设计和制造自由度。此外，金属材料在打印成形同时引入高密度位错，同时快冷带来细小晶粒，因此增材制造还是一种提升材料力学性能的高效途径。虽然前期人们已经采用增材制造技术制备了几种析出强化高熵合金，但具体内在强化机制还存在争议，并且人们对高熵合金断裂机理的研究还较少。

基于此，深圳大学增材制造研究所刘志远团队与深圳技术大学杨灿副教授、香港城市大学杨涛教授、东南大学贾喆教授合作，采用选区激光熔化（SLM）技术制备了（FeCoNi）86Al7Ti7析出强化高熵合金，通过不同温度时效热处理研究析出相对高熵合金强度和塑性的影响，揭示了增材制造高熵合金的强化机制和断裂机理。相关研究成果以题“Strengthening and fracture mechanisms of a precipitation hardening high-entropy alloy fabricated by selective laser melting”发表于增材制造顶刊Virtual and Physical Prototyping。

论文链接：

https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17452759.2022.2037055

研究结果表明，时效热处理后在SLM打印（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金组织不同位置析出共格L12相和非共格L21相，其中L12相析出于位错胞内部，而L21相析出于位错胞三叉界面。从而，该高熵合金屈服强度从打印态710MPa提高到1201 MPa，但同时伴随着塑性的降低。理论分析表明，共格L12相的有序强化贡献了绝大部分强度提升，而时效处理后塑性的降低是由非共格析出相L21含量的增多引起。进一步，针对增材制造高熵合金独特的断裂特征，提出了适用于增材制造金属材料的新型断裂模式—沿位错胞边界断裂（intercellular fracture），用以解释位错胞结构和断口韧窝尺寸的强烈正相关特性。该研究不仅成功解释了增材制造析出强化高熵合金的强化机理，还为增材制造金属材料的塑性变形和断裂过程提供了理论参考。

图1. （a）气雾化（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金粉末形貌，插图为粉末粒径分布；（b）选区激光熔化打印扫描策略。

图2. （a）体积能量密度对打印高熵合金相对致密度的影响；（b）扫描速度和扫描间距对高熵合金相对致密度的影响。

图 3. （a）不同热处理状态高熵合金的XRD衍射谱；（b）析出L12 和 L21相衍射峰局部放大图。

图4. 不同热处理状态高熵合金的组织结构：（a-d）打印态和时效态高熵合金晶粒取向分布图；（e-g）各种状态高熵合金极图；（h-j）各种状态高熵合金晶粒分布图。

图5. 各种热处理状态高熵合金精细组织TEM照片：（a）打印态；（b）和（c）时效热处理500°C-2h状态，（d）时效500°C-4h；（e）和（f）时效780°C-2h；（a1）和（e1）分别为打印和时效780°C-2h高熵合金位错胞元素分布；（g）和（h）分别为析出有序相L21 和 L12选区电子衍射花样。