Acta Materialia: 3D打印高熵合金的加工-結構-性能關系研究

一、 【導讀】

? ? ? ? 高熵合金（HEAs）是一類含有等摩爾比或近等摩爾比例的五種或更多種元素的新興合金。其多主元素導致高構型熵和嚴重的晶格畸變。高熵合金的出現使材料的設計從相圖的角落轉移到了更寬敞的中心區域，為材料開發開辟了新的機會。許多HEAs已經顯示出優異的機械性能，使其成為結構應用中有前途的候選者。

? ? ? ? HEAs目前主要是通過鑄造合成。增材制造（AM），也稱為3D打印，是一種快速發展的技術，可直接生產幾何復雜的零件。許多增材制造的金屬合金，如不銹鋼、鈦合金和HEAs，已經證實具有傳統加工路線所無法獲得的優越機械性能。

? ? ? ? 為了利用增材制造和HEAs的綜合優勢，目前迫切需要對AM HEAs的微觀結構和機械行為進行基本了解。盡管過去十年中，增材制造受到了相當大的關注，然而由于打印技術的變化以及巨大的加工參數空間，即使對于相同的合金成分，也有可能產生不同的微觀結構和性能，這導致AM金屬合金的加工-結構-性能關系尚不清楚，有必要對其進行進一步探究。

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二、【成果掠影】

? ? ? ? 最近，南京理工大學曹陽教授聯合馬薩諸塞大學陳文教授通過激光定向能量沉積（L-DED）和激光粉末床融合（L-PBF）兩種不同的打印工藝制備了多組分CoCrFeMnNi合金，并對該AM HEAs的微觀結構、力學行為和變形機制進行了比較研究。兩種樣品中，都形成了高度不均勻的微觀結構，由柱狀晶粒、凝固單元和位錯胞狀結構組成。然而，在晶體學織構、單元尺寸和元素分布方面卻存在巨大差異。L-DED樣品中更深的熔池有助于形成<101>/<111>的混合織構，而L-PBF樣品具有較淺熔池，沿著堆疊方向形成<001>織構。盡管L-DED工藝中冷卻速率低得多，但是該樣品中的<101>/<111>織構促進了泰勒強化，導致其屈服強度與L-PBF樣品相當。在L-DED樣品中，<101>/<111>織構提高了流變應力，促進了變形孿晶的激活。此外，L-DED樣品中更大的凝固單元尺寸和跨越胞壁的元素偏聚增加了位錯存儲能力和對位錯運動的阻礙作用，誘導塑性變形過程中出現大量的平面滑移帶和微帶。與L-PBF樣品相比，L-DED樣品中增強的塑性變形能力產生了更持久的應變硬化，從而產生了更高的延展性。

? ? ? ? 相關研究成果以題為“ Microstructure and mechanical behavior of additively manufactured CoCrFeMnNi high-entropy alloys: Laser directed energy deposition versus powder bed fusion”發表在國際期刊Acta Materialia上。

三、【核心創新點】

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? ? ? ? 通過激光定向能量沉積（L-DED）和激光粉末床融合（L-PBF）兩種增材制造工藝制造了多組分CoCrFeMnNi合金，不同的工藝產生了不同的微觀結構、力學性能和變形機制。與L-PBF樣品相比，L-DED樣品形成了<101>/<111>的混合織構、更大的凝固單元尺寸和跨越胞壁的元素偏聚，促使其提高了塑性變形能力，產生了更持久的應變硬化，從而獲得更優異的強度塑性匹配。

四、【數據概覽】

圖1 CoCrFeMnNi 粉末，AM掃描策略和打印樣品的中子衍射圖譜。(a)顆粒尺寸在15-53μm范圍內的氣體霧化CoCrFeMnNi粉末的SEM圖像；(b)雙向和交叉激光掃描策略示意圖。 狗骨頭狀樣品的拉伸加載方向（LD）垂直于堆疊方向（BD）；(c) L-DED和L-PBF制備的CoCrFeMnNi樣品沿堆疊方向的中子衍射圖譜。?2023 Acta Materialia Inc.

表1 L-DED 和L-PBF CoCrFeMnNi HEAs的化學組成 (wt.%). ?2023 Acta Materialia Inc.

圖2 L-DED樣品的微觀結構。（a）BD-LD平面中熔池的OM圖像；(b) BD-LD平面的IPF-BD圖;（c）BD-LD平面的EDS圖，顯示為明顯的元素偏聚；(d) TD-LD平面中位錯纏結和致密位錯墻的低倍TEM圖像；(e) 圖(d)中虛線框標記區域的放大TEM圖像。?2023 Acta Materialia Inc.

圖3 L-PBF樣品的微觀結構。（a）BD-LD平面中熔池的OM圖像；(b) BD-LD平面的IPF-BD圖;（c）BD-LD平面的EDS圖，表明元素分布均勻，無明顯元素偏聚；(d)為TD-LD平面中等軸位錯胞的低倍TEM圖像；(e) 圖(d)中虛線框標記區域的放大TEM圖像。?2023 Acta Materialia Inc.

圖4 AM CoCrFeMnNi HEAs的反極圖。(a)和(b)分別從L-DED樣品的BD-LD平面和TD-LD平面導出；(c)和(d)分別從L-PBF樣品的BD-LD平面和TD-LD平面導出。?2023 Acta Materialia Inc.

圖5 AM CoCrFeMnNi HEAs的拉伸性能。（a）工程應力-應變曲線；(b)真實應力-應變曲線。?2023 Acta Materialia Inc.

圖6 AM CoCrFeMnNi HEAs 在2%應變下的變形微觀結構。(a)和(b)顯示L-DED樣品中（1-11）滑移面上低角度界面（LAB）處位錯塞積的TEM圖像；(c)和(d)顯示L-PBF樣品中的兩組滑移跡線的TEM圖像。?2023 Acta Materialia Inc.

圖7 AM CoCrFeMnNi HEAs 在16%應變下的變形微觀結構。(a)和(b)分別顯示L-DED樣品中變形孿晶和平面滑移帶的TEM圖像；(c)和(d)分別顯示L-PBF樣品中低角度界面（LAB）和平面滑移帶阻礙位錯滑移的TEM圖像；插圖（d1）顯示了平面滑移帶處的位錯塞積。?2023 Acta Materialia Inc.

圖8 L-DED樣品在頸縮應變（~24%）下的變形微觀結構。（a）變形孿晶的TEM圖像；（b）微帶圖像；（c）位錯與平面滑移帶之間的相互作用；（d）圖（c）中虛線框標記區域的放大圖像；插圖（d1）顯示了平面滑移帶對位錯的阻礙作用。?2023 Acta Materialia Inc.

圖9 拉伸試驗前后L-DED樣品的典型IPF圖像、KAM圖和取向差分布。(a)和(b)分別是在拉伸試驗前后獲得的IPF圖像；(c)和(d)分別是在拉伸試驗前和后獲得的KAM圖譜；(e)和(f)分別為沿著圖(a)和(b)中標記的黑線點對點和點對原點獲取的取向差變化圖。?2023 Acta Materialia Inc.

圖10 L-PBF樣品拉伸試驗前后的典型IPF圖像、KAM圖譜和取向差分布。(a)和(b)分別是在拉伸試驗前后獲得的IPF圖像；(c)和(d)分別是在拉伸試驗前和后獲得的KAM圖譜；(e)和(f)分別為沿著圖(a)和(b)中標記的黑線點對點和點對原點獲取的取向差變化圖。?2023 Acta Materialia Inc.

圖11 AM CoCrFeMnNi的應力松弛試驗。（a）真實應力-應變曲線；（b）L-DED（左）和L-PBF（右）樣品中不同弛豫應變下可動位錯密度隨時間的演變：（c）L-DED和L-PBF樣品中Re與工程應變的關系：（d）L-DED和L-PBF樣品中物理激活體積V*和表觀激活體積Va與工程應變的關系。?2023 Acta Materialia Inc.

圖12 AM CoCrFeMnNi HEAs的微觀結構。（a）低倍OM圖像，顯示了L-DED樣品中熔池的形態和從局部熔池邊界向熔池中心生長的枝晶形貌；（b）和（c）分別顯示L-DED樣品的熔池邊界處的柱狀枝晶和熔池內部的胞狀結構的放大OM圖像，表明熱梯度方向是徑向的；（d）L-DED樣品的熔池內沿BD方向＜101＞/＜111＞晶粒取向的示意圖（由不同顏色表示）；（e）顯示L-PBF樣品中熔池形態的低倍OM圖像；（f）顯示了L-PBF樣品中跨越多層熔池沿BD生長的細小枝晶結構的放大OM圖像；（g）L-PBF樣品的熔池內沿BD方向＜001＞晶粒取向的示意圖（用不同顏色表示）。?2023 Acta Materialia Inc.

圖13 AM CoCrFeMnNi中的元素分布和SFE起伏。（a）和（b）分別為L-DED和L-PBF樣品的SEM圖像（樣品制備過程中腐蝕產生小孔）；（c）和（d）分別為圖（a）和（b）中沿橫跨凝固單元界面白線的元素分布；（e）和（f）分別為CoCrFeMnNi中固有SFE和不穩定SFE隨Mn成分變化的分布圖（根據第一性原理計算）。?2023 Acta Materialia Inc.

圖A.1. L-DED 和 L-PBF CoCrFeMnNi HEAs的修正Williamson-Hall圖。?2023 Acta Materialia Inc.

五、【成果啟示】

? ? ? ? 綜上，本研究使用L-DED和L-PBF這兩種具有不同溫度梯度和冷卻速率的增材制造技術制備CoCrFeMnNi HEAs。兩種類型的合金樣品顯示出不同的熔池幾何形狀和微觀結構，包括晶體學織構和凝固單元結構，導致不同的力學性能和變形機制。二者均表現出非均勻的微觀結構，包括非均勻的晶粒幾何形狀、亞晶粒凝固單元和位錯結構。不同之處如下1）：微觀結構方面，L-DED樣品中形成了與凝固單元相關的顯著的元素偏聚，而L-PBF樣品中由于較高的冷卻速率而形成了相對均勻的元素分布。此外，L-DED樣品中較低的熔池寬高比有助于形成<101>/<111>的混合織構。2）力學性能方面，L-DED和L-PBF樣品的屈服強度相當，但是L-DED樣品顯示出更好的抗拉強度和韌性，這是由于其具有<101>/<111>的混合織構、更大的凝固單元尺寸，以及整個凝固單元的元素不均勻性。3）變形機制方面，隨著塑性變形的增加，L-DED樣品中<101>/<111>晶體織構和由此產生的高流變應力激活了變形孿晶。這種增強的塑性變形能力使其具有更高的延展性。

原文詳情：

Liu, Y., Ren, J., Guan, S. et al. Microstructure and mechanical behavior of additively manufactured CoCrFeMnNi high-entropy alloys: Laser directed energy deposition versus powder bed fusion. Acta Materialia 250 (2023) 118884.

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118884

本文由Sophie供稿。