Nature：高熵合金！
学研汇 技术中心
2022-08-23
特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。增材制造（AM）主要用于工程应用，可逐层生产网状构件。在包括钢、钴或镍基高温合金、铝合金、钛合金和高熵合金(HEAs)在内的金属材料中，增材制造经常会产生具有高度非均匀晶粒几何形状、亚晶粒位错结构和化学偏析的显微组织。共晶HEAs (EHEAs)是一类很有前途的多主元合金(也称为成分复杂合金)，它可以形成分层的双相片层集落微观组织，从而为获得优异的力学性能提供了巨大的潜力。
虽然高熵合金应用前景广阔，但是共晶高熵合金制备过程中仍存在以下问题：采用常规凝固方法，EHEAs的片层厚度通常在微米或亚微米范围内，这限制了EHEAs的强度。相比之下，纳米层和纳米层金属会表现出更高强度。通过激光粉末床熔合 (L-PBF)增材制造金属合金涉及大温度梯度和快速冷却，这使得纳米级的微观结构细化以实现高强度。然而，通过激光增材制造生产的高强度纳米结构合金往往延展性有限，限制了实际应用。有鉴于此，美国马萨诸塞大学Wen Chen和佐治亚理工学院Ting Zhu等人合作，利用激光粉末床融合(L-PBF)的极端打印条件和HEAs的有利成分效应，在AlCoCrFeNi2.1 EHEA中以嵌入共晶团中的双相纳米层的形式产生了一种独特的远平衡微观结构。这种增材制造的(AM) EHEA显示了强度和延展性的良好结合，以及近乎各向同性的力学行为。作者解析了高屈服强度和大的拉伸延展性的根源。本工作对增材制造的HEA变形行为的机理见解对于开发具有卓越力学性能的分级、双相和多相纳米结构合金具有广泛的意义。
作者使用归一化等效能量密度方法，确定了L-PBF打印完全致密AlCoCrFeNi2.1 EHEA样品的工作窗口，通过调整参数，可以实现纳米层状结构和相关特性的调控，并实现了各种具有代表性的工程组件的制备。作者对样品的力学性能进行了表征，结果表明，与铸态相比，AM AlCoCrFeNi2.1 EHEAs具有远高于铸态试样的拉伸屈服强度和高的应变硬化率，表现出大的均匀拉伸率。作者通过研究合金的构效关系，明确了EHEA的高屈服强度是由L-PBF的双相纳米层状结构实现的，并通过高密度的印刷引起的位错进一步增强。同时是通过研究晶格应变响应的不同阶段分析了纳米层状共晶结构中的硬化行为。高屈服强度源于交替的面心立方和体心立方纳米薄片组成的双相结构的强强化作用，体心立方纳米薄片比面心立方纳米薄片表现出更高的强度和更高的硬化率。大的拉伸延展性是由于嵌入在微尺度共晶团中的双相纳米薄片形式的分层微观结构的高加工硬化能力，其具有几乎随机的取向以促进各向同性的力学性能。本工作中制备的合金具有1.3 GPa的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率，远超过了现有的最先进的增材制造金属合金。2、解析了高屈服强度及延展性起源，为合金开发奠定理论基础作者通过构效关系分析解析了合金高屈服强度和延展性的起源，本工作对增材制造的HEA变形行为的机理见解对于开发具有卓越力学性能的分层、双相和多相纳米结构合金具有广泛的意义。L-PBF的异质纳米层结构可以产生大的局部塑性应变梯度，导致强烈的背应力硬化。塑性屈服始于fcc相，而 bcc 相保持弹性。来自弹性体心立方相的几何约束可能导致层状界面附近出现强烈的局部塑性应变梯度，并通过位错（GND）来适应。在fcc/bcc界面附近持续增加GND，会产生强大的背应力，从而提高 AM EHEA的流动应力，这是传统的热处理无法实现的。由于激光加工固有的大参数空间，实现对 AM 材料中凝固微观结构和缺陷的合理控制具有挑战性。作者使用归一化等效能量密度方法，确定了一个有效的 L-PBF工作窗口来之别完全致密的AlCoCrFeNi2.1EHEA 样品。通过调整激光功率和扫描速度，能够将层状厚度减少到数十纳米。尽管样品的微观结构相似，但通过更精细的纳米层表征证明了纳米层状结构和相关特性的可调性。此外，实现了各种具有代表性的工程组件的制备，包括散热器风扇、八角桁架微晶格和齿轮，证明了该EHEA对各种复杂几何形状的出色可打印性。
图 AM AlCoCrFeNi2.1 EHEA的显微组织作者对样品的力学性能进行了表征，结果表明，与铸态相比，AM AlCoCrFeNi2.1 EHEAs具有优异的力学性能。具有较高的0.2%偏移量拉伸屈服强度，σ0.2 = 1333±38 MPa，远高于铸态试样的510±15 MPa。在高流动应力下，它还显示出高的应变硬化率，表现出约14%的均匀拉伸率，其极限抗拉强度σu=1640±38MPa。AlCoCrFeNi2.1EHEAs在形状和晶体学上具有各向同性的力学行为，随后的热处理可以实现微观结构和相关力学性能的调控，这有助于实现广泛的强度-延展性的结合。
图 AM AlCoCrFeNi2.1 EHEA的拉伸性能作者通过探究样品在拉伸过程中不同相的晶格应变以及位错密度的表征，明确了不同结构对屈服强度的贡献。结果表明，纳米层状强化对屈服强度的贡献约为1 GPa。此外，L-PBF的快速凝固会在样品中产生高密度的位错，从而产生额外的强化效果。使用中子衍射测量来确定样品中的位错密度。bcc(ρbcc)和fcc(ρfcc) 纳米片的平均位错密度分别高达(7.4 ± 1.1) × 1014 m-2和(5.4 ± 0.3)×1014 m-2，导致估计增加屈服强度约为280 MPa。通过将原位中子衍射实验与双相晶体塑性有限元（DP-CPFE）建模相结合，研究了EHEA的高应变硬化的起源和由此产生的大拉伸延展性。通过分析中子衍射测量中位错密度的动态演变，表明了位错密度的增加与高应变硬化率密切相关。
图 单轴拉伸过程中fcc和bcc相的晶格应变和应力分配使用PED来表征不同施加的拉伸应变下的位错演变。在bcc和fcc纳米片中观察到高密度的位错，ρbcc≈(7.4 ± 1.1) × 1014 m-2和ρfcc≈(5.4±0.3)×1014m-2。位错倾向于在层状界面聚集，PED结果和中子衍射测量结果以及HRTEM的观察结果均证实了这一点，位错在界面的聚集有利于跨半相干相界面的滑移传输，纳米薄片界面可以有效地阻挡和储存位错，有助于AM EHEA 实现高强度和高加工硬化的完美结合。
本文利用L-PBF的增材制造技术和EHEAs的有利成分效应，开发了一类双相纳米层状合金，表现出优异的高屈服强度和高拉伸延展性，超过了其他先进的AM合金。这种分级的双相纳米结构基序可以普遍应用于其他EHEA系统，以改善其力学性能。AM EHEAs强化和硬化行为的机理研究可以应用于高性能金属合金的设计，这些合金可以形成丰富多样的复杂多相片层结构，如铝合金和钛合金。
Jie Ren, et al. Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing. Nature, 2022, 608:62–68.
DOI: 10.1038/s41586-022-04914-8.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8
