摘要：增材制造（AM）在成型效率、设计灵活性和材料适用性方面具有独特优势，尤其是在调控亚稳结构和多尺度结构方面，为材料科学带来了新的机遇。高熵合金（HEAs）作为一类新型金属材料，因其多主元的成分设计方法，提供了广阔的成分设计空间，进而赋予了高熵合金出色的力学性能，
增材制造（AM）在成型效率、设计灵活性和材料适用性方面具有独特优势，尤其是在调控亚稳结构和多尺度结构方面，为材料科学带来了新的机遇。高熵合金（HEAs）作为一类新型金属材料，因其多主元的成分设计方法，提供了广阔的成分设计空间，进而赋予了高熵合金出色的力学性能，使其成为增材制造领域研究的极具潜力的候选材料。
【成果速览】
本研究深入探讨了一种具有分级异质结构的增材制造高熵合金的变形行为和强化机制。结果表明，该合金由面心立方（FCC）基体、共格的L12析出相、带有透镜状夹杂物的非共格L21析出相以及化学胞状结构组成。L21相和透镜状夹杂物的分布是独特的现象，这主要归因于增材制造过程中的局部化学成分波动。FCC基体主要对塑性变形起作用，L12析出相通过有序强化提高合金强度，L21析出相则通过奥罗万绕过机制提供强化作用。
此外，位错强化也对合金的整体强度有贡献。值得注意的是，在变形过程中，L21相内的透镜状结构由于其固有的亚稳性、有利的微观结构位置和晶粒取向，会发生应力诱导的马氏体相变。这些发现不仅加深了对增材制造高熵合金微观结构和变形机制的理解，也为未来高性能高熵合金的设计与优化提供了有价值的见解。
相关成果以「Deformation Behavior and Strengthening Mechanisms of an Additively Manufactured High-Entropy Alloy with Hierarchical Heterostructures」为题刊登在InternaTional Journal of Plasticity上，第一作者：Yunjian Bai，共同通讯：力学所魏炳忱、张坤，山东大学Yunjian Bai。
【创新点】
• 增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金包含分级异质结构，其中包括FCC/L12共格基体、带有透镜状夹杂物的非共格L21析出相以及化学胞状结构。
• 这种增材制造的高熵合金表现出相对较高的强度，这归因于L12析出相的有序强化、由L21析出相主导的奥罗万绕过机制以及位错强化。
• 在变形过程中，L21相内的透镜状结构由于其亚稳性以及有利的微观结构位置和晶粒取向，会发生应力诱导的马氏体相变。
• 增材制造不仅能够实现高熵合金的快速原型制作，还为结构设计创新提供了广阔潜力，因此在工程应用中具有显著的竞争优势。
【数据概况】
图1. 增材制造的(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的孔隙率分布和相组成。(a) X射线计算机断层扫描图像，显示出相对较低的孔隙率密度。(b) X射线衍射图谱，显示出多相结构。
图2. 增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的电子背散射衍射（EBSD）结果。(a) 反极图（IPF图），晶粒尺寸情况。(b) 相图，FCC基体和L21相。(c) 晶界图，突出显示了大角度晶界。
图3. 增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的TEM图像。(a) FCC基体内L12纳米析出相的密集分布。(b) FCC相和L12相的高分辨透射电子显微镜图像，显示出它们之间的共格关系。(c, d) 分别为FCC基体和L12相的快速傅里叶变换（FFT）图谱。(e) FCC基体与L12相之间的元素变化情况。(f) L21相的透射电子显微镜图像。(g) L21相内透镜状结构的放大图，(h) 对其形貌的详细描绘。(i, j) 快速傅里叶变换图谱，证实了透镜状结构区域和周围区域具有相同的体心立方（BCC）结构。(k) 能量色散谱（EDS）面扫描图，显示L21相中Al和Ti元素富集。(l) 高分辨能量色散谱，显示透镜状结构中Ti和Ni元素富集。
图4. 增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的力学性能。(a) 具有代表性的工程应力-应变曲线，突出了其拉伸性能。(b) 铸态、增材制造加工态以及热机械加工态的(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金之间的性能对比，增材制造打印态，热机械加工态。
图5. 断裂样品的增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的变形特征。(a) IPF图，显示了FCC/L12基体与L21相附近的不均匀塑性变形情况。(b) 相图，突出显示了脱粘现象。(c) Kernel平均取向差（KAM）热图，展示了L21相周围的应变积累情况。(d) KAM直方图，表明变形后取向差增大，插图为FCC/L12基体和L21相的相关轮廓。(e) FCC/L12基体内位错网络的TEM图像。(f) FCC/L12基体与L21相界面处的位错堆积。(g) L21相内部的TEM图像，显示了透镜状结构从L21相到六方密堆积（HCP）相的转变。(h) L21相内呈镜像的HCP构型。(i) L21相到HCP相转变的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。
图6. 随着应变增加，增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金中不同微观结构的变形特征。(a) FCC/L12基体，显示出位错平面滑移的变化。(b) FCC/L12基体-L21相界面，显示出位错运动受到阻碍。(c)L21相内透镜状结构的HRTEM图像以及相应的FFT图像，显示出相变行为。
【结论展望】
本研究系统地探究了具有分级异质结构的增材制造(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的变形行为和强化机制。主要结论如下：
(1) 微观结构：该高熵合金呈现出显著的异质性，包括具有共格L12纳米析出相的FCC基体、非共格的L21相、L21相内的透镜状结构以及化学胞状结构。L21相及其内部透镜状结构的形成归因于增材制造循环熔化-凝固过程中的局部化学成分波动。
(2) 强化机制：该高熵合金的屈服强度为900±12MPa，这主要归因于以L12为主导的共格有序强化、以L21为主导的奥罗万绕过强化以及位错强化。该高熵合金的总硬化能力为346MPa，主要来源于位错硬化和异质变形诱导（HDI）硬化。
(3) 相变机制：L21相内的透镜状结构发生了应力诱导马氏体相变（SIMT），从BCC结构转变为HCP结构。这种相变主要归因于L21相固有的亚稳性以及其有利的微观结构位置和特定的晶粒取向，这些因素促进了相变的发生。
(4) 意义：增材制造的快速原型制作优势消除了传统制造工艺的复杂性，同时仍能实现可接受的力学性能。此外，增材制造所诱导产生的独特微观结构和变形机制为高熵合金未来的发展提供了巨大的设计潜力。
原文链接：
来自：材料设计
长三角G60激光联盟陈长军转载
热忱欢迎参加我们在2025年5-27-29日举办的两机展和激光在两机（飞机发动机和燃气轮机）及低空经济中的应用大会
来源：江苏激光联盟