【原】哈工大复材顶刊：增材制造兼具优异强度和延展性的缓梯度界面异质结构中熵合金

增材制造（AM）现已被确立为一种通用的近净成形制造技术，允许通过逐层结构自由设计和一体化成形复杂结构的部件。目前，一些使用激光定向能量沉积（L-DED）AM制造层状异质结构高熵合金的研究表明，可以通过软组分和硬组分的组合来提高强度。然而，两层之间的界面在变形的早期阶段容易失效，导致强度提高有限，延展性较低。此外，在沉积过程中，界面处不可避免地发生重熔和稀释，这可能会形成一些脆性的金属间化合物，从而恶化材料的界面性能。另一方面，与铸态和热变形态金属材料相比，AM制造的金属构件由于初始粗大的柱状晶体微观结构，通常具有较差的强度和/或延展性、机械性能相对明显的各向异性，以及析出相体积分数不足等问题。用于性能调控的传统热机械方法（如冷轧或再结晶等）具有形状破坏性，不适合于对AM构件进行后处理。因此，找到合适的AM工艺以获得具有高强度-延展性协同作用的金属构件，是一个重要且具有挑战性的问题。

为了解决上述问题，哈尔滨工业大学材料学院黄永江教授课题组与英国皇家工程院院士、香港大学颜庆云教授（A.H.W.Ngan），太原理工大学张长江副教授合作，采用激光定向能量沉积技术制备了具有优异强度和延展性协同的缓梯度界面异质结构中熵合金，探究了其界面处微观组织和相形成机制，揭示了该异质结构中熵合金的塑性变形机理。第一作者为博士生孙永刚，论文参加者还有宁志良副教授(共同通讯)以及孙剑飞教授。相关成果以题“Additively manufactured low-gradient interfacial heterostructured medium-entropy alloy multilayers with superior strength and ductility synergy”发表于 Composites Part B: Engineering。

论文链接：

https:///10.1016/j.compositesb.2024.111522

本研究中我们展示了一种有趣的双粉末源合金体系：（i）CoCrNi中熵合金（MEA）和（ii）添加了单质Ti和Al以及相同MEA（其名义成分为(CoCrNi)₈₆Al₇Ti₇，下面简称Al7Ti7），采用L-DED对两种粉末源交替进行沉积，随后对沉积构件进行非形状破坏性的热处理，所获得的构件表现出强度和延展性的显著协同作用（极限抗拉强度超过1GPa，延展性接近50%）。使用强度乘以延展性作为优值，这种L-DED合金体系比报道的其他中/高熵合金表现出更优异的强度-延展性协同作用。优异机械性能的关键是L-DED过程促进了异质结构（HS）的形成，该异质结构由韧性CoCrNi MEA和弥散分布有金属间化合物相（L1₂）的同一合金交替组成层状异质结构，这些交替形成的层间具有缓梯度界面的微观结构，具有这样结构的MEA既强且韧。值得注意的是，由于Al7Ti7层的成分被稀释，形成的缓梯度界面异质结构，其机械性能在各层上逐渐波动，但在变形过程中两层之间将发生小的塑性应变失配，因此裂纹不会优先发生在界面处。基于微观结构观察，热处理态HS MEA的高强度可归因于固溶强化、沉淀强化、位错相互作用以及位错与层错（SF）和孪晶的相互作用，这些皆对应于系统中显著的背应力，其导致的高应变硬化率亦将引起颈缩阻力，这是抑制颈缩以提高延展性的重要因素，而Al7Ti7层的变形需要更大的外部应力，最终导致了HS MEA表现出更高的强度。

图1. BD-SD平面上打印态HS MEA的层状形貌: (a) SEM图像; (b-f) 电子探针图谱

图2. MEA合金样品的力学性能: (a) 打印态和热处理态MEA样品沿SD的工程应力-应变曲线; (b) 实验和ROM预测的打印态及热处理态HS MEA样品的机械性能比较; (c) 热处理态HS MEA样品沿SD和BD的工程应力-应变曲线的比较; (d) 热处理态HS MEA和其他高性能MEA/HEA的极限抗拉强度与断裂伸长率关系的对比

图3.热处理态HS MEA的界面特征: (a) 热处理态HS-MEA的SEM图像; (a₁), (a₂)界面区域的SEM-EDS图谱和沿着(a)中的黄色箭头的成分线扫分析; (b) 层界面处的BSE图像和电子探针图谱; (c) 热处理态HS MEA的微观结构示意图; 成分混合(Al和Ti从Al7Ti7层迁移到周围的CoCrNi层)导致(i) CoCrNi层中L1₂相沉淀, 以及(ii) Al7Ti7层中的梯度共析转变

图4. 热处理态HS MEA中CoCrNi层(a-e)和Al7Ti7层(f-h)中的典型微观结构: (a)区域Ⅱ中的低倍明场TEM图; (b) L1₂相在Ⅱ区析出的暗场TEM图; (c) L1₂相的高分辨透射图像; (d) 图(b)中L1₂相的STEM-EDS元素图谱; (e) L1₂相的直径分布图; (f) Ⅲ区的明场TEM图像; (g) Ⅳ区中L1₂和σ相的明场TEM图像; (h) L1₂和σ相的高分辨透射图像对应(g)图

图5. 热处理态HS MEA变形到~3%的真应变时的典型变形亚结构：(a-c) CoCrNi层中位错结构和SF的明场TEM图和高分辨透射图; (d-f)Al7Ti7层的明场TEM图和相应的选区电子衍射图

图6. 热处理态HS MEA变形至~21%真应变(a-d)和断裂应变(e-h)的代表性变形亚结构: (a) Ⅰ区CoCrNi层中密集位错堆积; (b) Ⅱ区CoCrNi层中尖锐的亚晶界; (c) 致密的位错和SFs在Al7Ti7层中Ⅲ区及相应的高角环形暗场像图; (d) Al7Ti7层中Ⅳ区σ相、L1₂相及残余基体组成的片层状结构; (e, e₁) CoCrNi层中的致密缺陷; (f, f₁) 明场和暗场TEM图显示了CoCrNi层中罕见的变形孪晶; (g) Al7Ti7层中的高密度变形孪晶; (h) Al7Ti7层的SEM图像

来源：材料科学与工程，感谢论文作者团队的大力支持。