來源： 材料學網(wǎng)
導(dǎo)讀：納米結(jié)構(gòu)的金屬和合金通常表現(xiàn)出高強度茅囱，但以犧牲標志性的延展性為代價。通過利用激光粉末床熔合(L-PBF)增材制造的非平衡加工條件踢涌，我們在Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2共晶高熵合金(EHEA)中開發(fā)了由FCC/L12和BCC/B2相組成的雙相納米層狀結(jié)構(gòu)兼蜈，該合金具有超高屈服強度(>1.4 GPa)和大拉伸延展性(~ 17%)攘残。利用原位同步x射線衍射和高分辨率透射電鏡研究了增材制備的EHEA的變形機理。高屈服強度主要是由于高密度的層狀界面有效地阻斷了位錯運動为狸。精細的納米層狀結(jié)構(gòu)和較低的層錯能(SFE)促進了FCC/L12納米層狀結(jié)構(gòu)中層錯(SF)介導(dǎo)的變形歼郭。在BCC/B2納米片層界面處積累豐富的位錯和SFs可以有效地提高局部應(yīng)力遗契，促進位錯增殖和馬氏體轉(zhuǎn)變。在半相干層狀界面的輔助下盆扳，雙相的協(xié)同變形使打印出的EHEA具有較大的延展性膊编。此外，我們還證明了打印后熱處理使我們能夠調(diào)整非平衡微觀結(jié)構(gòu)和變形機制俭整。退火后尸钢，F(xiàn)CC納米片的SFE和厚度顯著降低，進一步促進了大量SFs的形成妄由。納米沉淀物在BCC/B2納米片中的溶解減少了空間約束熔厌，進一步促進了馬氏體轉(zhuǎn)變，增強了加工硬化像淋。我們的工作為增材制造的雙相納米層狀EHEAs的卓越力學性能提供了豐富多樣的變形機制的基本見解誉煎。
超高強度(千兆帕斯卡級)和大延展性是開發(fā)輕量化部件的關(guān)鍵特性，適用于需要結(jié)構(gòu)可靠性和能效的應(yīng)用鹰坐。為了獲得高強度好啸，晶粒細化的霍爾-佩奇強化已被廣泛應(yīng)用于許多金屬材料中。不幸的是迷啄，這種策略往往會導(dǎo)致延性的損失渊季。這種眾所周知的強度-延性權(quán)衡一直是結(jié)構(gòu)材料的長期挑戰(zhàn)。在過去的幾十年里罚渐，為了克服強度-延性難題却汉，人們開發(fā)了具有非均質(zhì)性的材料，包括雙峰荷并、片層合砂、梯度、納米疇分散源织、多相和分層微觀結(jié)構(gòu)翩伪。然而，限制它們在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中廣泛使用的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于它們的加工谈息。迄今為止缘屹，非均質(zhì)材料的制備多采用薄膜沉積、表面機械處理或多步熱機械處理等方法侠仇，不易適用于大體積轻姿、復(fù)雜幾何形狀的材料。
增材制造(AM)或3D打印是一項新興技術(shù)逻炊，可以直接生產(chǎn)復(fù)雜和接近凈形狀的部件祷骂。通過激光粉末床熔融(L-PBF)進行金屬3D打印涉及快速和空間可變的加熱、熔化、凝固和冷卻循環(huán)藤习，并為定制微觀結(jié)構(gòu)和力學性能提供了充足的機會乌心。這已經(jīng)證明了廣泛的合金，如不銹鋼和鋁合金虐恋。然而枕泽，L-PBF的成功印刷不僅取決于加工條件，而且在很大程度上取決于原料的固有熱物理性質(zhì)馒符。例如，激光吸收率宏湾、蒸汽壓淘砌、凝固范圍和熱膨脹系數(shù)可以決定各種印刷缺陷的存在，包括氣孔旋稚、揮發(fā)性合金元素的損失厦浦、熱開裂、熱殘余應(yīng)力的積累或零件變形和分層奕枝。這些缺陷會使增材制造金屬合金的機械性能惡化棺榔，從而對增材制造金屬合金的性能和壽命有害。值得注意的是隘道，超過5500種現(xiàn)有合金中的大多數(shù)不能通過L-PBF進行3d打印症歇。
共晶高熵合金(EHEAs)是一類多主元素合金，通常具有雙相組織谭梗，具有良好的強度和延展性忘晤，優(yōu)異的高溫性能，耐腐蝕性和耐磨性激捏。此外设塔，狹窄的凝固范圍和等溫共晶反應(yīng)有利于減輕凝固過程中的熱裂，使EHEAs成為AM的理想候選材料远舅。對AlCoCrFeNi2.1闰蛔、 材料學網(wǎng)、Ni32Co30Cr10Fe10Al18图柏、Al0.75CrFeNi和AlCrFe2Ni2等EHEAs的AM可行性進行了大量的研究序六。這些合金表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，包括高強度和大延展性爆办。然而揩臊，對它們的變形機制有一個基本的了解是非常必要的。
Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2(at. %)是一種EHEA鬼痹，由于其雙相B2/FCC微層狀結(jié)構(gòu)落余，在鑄態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能。本研究表明，L-PBF可以有效地細化Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEA的微觀結(jié)構(gòu)幔私，形成由FCC/L12和BCC/B2相間組成的雙相納米片涎舔。與鑄態(tài)相比，打印的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的屈服強度增加了一倍菠山，而延展性卻沒有很大的損失哮互。研究人員利用最先進的表征和建模工具，包括原位同步加速器高能x射線衍射(HEXRD)乙错、透射電子顯微鏡(TEM)和第一性原理密度泛函理論(DFT)計算题晌，研究了增材制造Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2的變形機制。在高流動應(yīng)力下獲得的高延展性和持續(xù)的加工硬化是由幾個順序激活的變形機制引起的贾悬。精細的納米層狀結(jié)構(gòu)和較低的層錯能(SFE)促進了FCC/L12納米層中豐富的層錯(SFs)儡皮。在BCC/B2納米片層界面處，位錯和SFs等缺陷的積累可以有效地提高局部應(yīng)力哪自，從而引發(fā)應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變(SIMT)和位錯形核丰包。FCC/L12和BCC/B2納米片層的協(xié)同變形，在半相干片層界面的輔助下壤巷，可以有效地增強加工硬化邑彪，從而獲得較大的塑性。此外胧华，我們還證明了印刷后熱處理使我們能夠進一步調(diào)整非平衡微觀結(jié)構(gòu)和變形機制寄症。900℃退火1小時后，F(xiàn)CC納米片的SFE和厚度顯著降低撑柔，進一步促進了大量SFs的形成;納米沉淀物在BCC/B2納米片中的溶解減少了空間約束瘸爽，進一步促進了馬氏體轉(zhuǎn)變，增強了加工硬化铅忿。我們的研究結(jié)果不僅證明了激光增材制造可以用于設(shè)計具有優(yōu)異力學性能的金屬合金剪决，而且還提供了對增材制造的雙相納米層狀EHEAs的特殊力學性能的變形機制的基本理解。
馬薩諸塞大學檀训、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室柑潦、阿貢國家實驗室等七所頂尖研究院所對此進行了研究，相關(guān)研究成果以題為Deformation mechanisms in an additively manufactured dual-phase eutectic high-entropy alloy發(fā)表在Acta Materialia期刊上
鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119179
圖1.打印Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的分層顯微結(jié)構(gòu)阅窝。(a)打印Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA側(cè)面截面的EBSD逆極圖(IPF)圖梯俘。熔池邊界用黑色虛線表示。(b)打印的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA俯視圖截面的EBSD IPF圖以及FCC/L12相對應(yīng)的001坞龙、110霎挚、111極圖。注意蚀稻，由于BCC/B2納米片的厚度很小(約43 nm)骗早，因此EBSD的索引不足把意。(c)高角度環(huán)形暗場(HAADF)-STEM顯微照片顯示嵌有納米片的微尺度共晶菌落。(d)印刷Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA中BCC/B2和FCC/L12片層厚度分布爪撤。(e)打印和退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs的HEXRD光譜绿捶。(f)放大的衍射光譜顯示B2和L12超晶格反射的存在。(g)打印Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的STEM-EDX元素圖网燃。(h) HAADF-STEM圖像顯示婆精，在打印的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的相對較粗的BCC/B2納米片中，一些納米沉淀物稀疏分布雄炕。
我們進一步用PED表征了層狀界面的結(jié)構(gòu)和取向沈条。圖2a顯示了連續(xù)交替的FCC/L12和BCC/B2納米層狀結(jié)構(gòu)。相間存在<011>FCC // <111>BCC和{111}FCC // {011}BCC Kurdjumov-Sachs (K-S)取向關(guān)系(圖2b)邓尤。圖2c為高分辨率透射電鏡(HRTEM)對應(yīng)的半相干界面拍鲤。圖2中的快速傅里葉變換(FFT)衍射圖證實了K-S取向關(guān)系。如圖2c和e所示汞扎，這種類型的界面在能量上更有利，晶格失配可以通過失配位錯或SFs周期性補償擅这。值得注意的是澈魄，圖2f顯示，在沒有失配位錯的情況下仲翎，晶格相干性可以在長距離(> 10 nm)內(nèi)保持痹扇。HEXRD結(jié)果表明，F(xiàn)CC/L12相和BCC/B2相的晶格參數(shù)分別為3.59082±0.00004 ?和2.87126±0.00010 ?溯香，晶格失配率為2.09%鲫构。具有小錯配應(yīng)變的半相干界面可以有效地提高增材制造的雙相納米層狀EHEA的強度和延展性，這將在后面討論玫坛。圖 2.(a)印制的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA納米層狀結(jié)構(gòu)圖像質(zhì)量圖上的PED相位圖和(b) IPF圖结笨。(c) HRTEM顯微圖顯示打印的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的BCC/B2和FCC/L12界面。(d)相界面FFT衍射圖顯示BCC/B2與FCC/L12相具有良好的K-S取向關(guān)系傅慈。(e) (c)中紅框區(qū)域的放大HRTEM顯微圖蹦虏，顯示界面位錯和SF。(f)無缺陷區(qū)域((c)中的黑框區(qū)域)的放大HRTEM顯微照片碘淘。
為了闡明非平衡凝固特性對增材制造的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA變形機制的影響刮血，我們還研究了打印后熱處理后材料的組織和力學行為作為對比。如圖3a和b所示惰采，在900℃下退火1小時不會顯著改變集落大小颂鞭，但可以消除大多數(shù)印刷引起的位錯。fcc基片層的平均厚度減少了約20%(從119 nm到95 nm)栋锣，而bcc基片層的平均厚度增加了約46%(從43 nm到63 nm)刑袒，這可能是溫度升高時界面遷移的結(jié)果。有趣的是，HEXRD測量顯示郊舅，退火后的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2主要由無序FCC (56 vol. %)和無序和有序BCC相的混合物(44 vol. %)組成(圖1e-f)妒槐。FCC納米片的完全無序性質(zhì)伴隨著退火后有序L12納米結(jié)構(gòu)的湮滅，這也體現(xiàn)在圖3b中選擇區(qū)域電子衍射(SAED)圖中沒有額外的超晶格點席赂。與印刷樣品相比吮铭，F(xiàn)CC相的體積分數(shù)從72%下降到56%，BCC/B2相的體積分數(shù)從28%上升到44%颅停。此外谓晌，在退火后的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2中，由于在高溫下原子擴散加速癞揉，雙相之間的元素分配更強(圖3c和表1)纸肉。我們還注意到退火后集落邊界的Ni和Al中富集了富w沉淀(圖3a和c)。由于這些沉淀的體積分數(shù)低喊熟，平均間距大柏肪，它們對強化的貢獻不顯著。圖3. (a) HAADF-STEM和(b)亮場(BF) TEM圖像顯示退火后Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的微尺度共晶菌落和納米尺度片層結(jié)構(gòu)芥牌。插圖顯示了FCC片層的SAED模式烦味。沒有觀察到超晶格斑點，表明只有無序的FCC相存在壁拉。(c)退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEA的STEM-EDX元素圖谬俄。
圖4a為Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEAs打印及退火后具有代表性的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。打印態(tài)樣品的屈服強度(σYS)為1.42±0.01 GPa弃理，約為鑄態(tài)樣品(0.75 GPa)的兩倍贼匾，極限抗拉強度(σUTS)為1.64±0.01 GPa。印刷樣品也顯示出大的均勻伸長率挂蹦，為~ 16.5%瞪栋。900℃退火1 h后，L-PBF Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEA的均勻伸長率提高到~ 23%盔连，σYS和σUTS分別降低到~ 1.08±0.01 GPa和1.46±0.01 GPa琢账。圖4b顯示了Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs打印和退火后的加工硬化率隨真應(yīng)變(εT)的變化規(guī)律。兩種試樣在第一階段的加工硬化速率均急劇下降凰染，表明位錯滑移在塑性變形早期起著突出作用蟆蔫。隨著εT的進一步增大，打印樣品的加工硬化率逐漸降低捏诫，但仍保持在1.5 GPa以上凿芦，塑性失穩(wěn)。對于高強度的打印樣品连定，高流變應(yīng)力下的持續(xù)加工硬化能力(σUTS - σYS?=?0.23 GPa铝框， σYS/σUTS?=?0.86)導(dǎo)致了較大的均勻伸長率叮洋。值得注意的是，退火后的樣品在階段i后呈現(xiàn)出一個小駝峰褒侧。在階段II中良风，加工硬化速率逐漸增加，直到εT≈12.5%闷供，這可歸因于額外變形載體的普遍作用烟央，如SFs和馬氏體相變(見后面的討論)。退火后試樣的加工硬化速率在第三階段逐漸降低歪脏，相變趨于飽和疑俭。圖4. (a)打印和退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)打印和退火后Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEAs的加工硬化率與真應(yīng)變的關(guān)系婿失。
圖5.(a, b)印刷和退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs的FCC/L12和BCC/B2相沿LD的晶格應(yīng)變演變钞艇。宏觀屈服應(yīng)力是指整體試樣0.2%的屈服強度偏移。(c)拉伸加載過程中FCC/L12和BCC/B2相的應(yīng)力分配豪硅。(d)拉伸加載過程中FCC/L12和BCC/B2相的加工硬化率與真應(yīng)變的關(guān)系哩照。
圖6.(a) FCC/L12-{111}在拉伸加載過程中(?K/K)2隨印刷和退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs真應(yīng)變的變化。(b)除BCC/B2-{110}反射外懒浮，同(a)葡秒。
圖7. (a)印刷態(tài)和退火態(tài)Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs在拉伸加載過程中一階F-{111}和二階F-{222}反射的晶格應(yīng)變演化。由于B-{110}和{220}反射具有較大的彈性晶格應(yīng)變沃羽，且在大應(yīng)變下峰展寬明顯，這兩個峰幾乎分別合并到F-{111}和{222}峰中咧笔。這將給峰值反褶積帶來很大的不確定性鉴膝。因此，當σT > 1600 MPa和退火后σT > 1460 MPa時垂票，我們沒有研究F-{111}和{222}反射的晶格應(yīng)變演變李晾。(b)打印和退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs在拉伸加載過程中的SFP演變。
圖8. (a) BCC/B2-110育需， (b) BCC/B2-200和(c) BCC/B2-211在±5°范圍內(nèi)沿著特定的Ψ從0°到180°積分二維衍射圖(M表示馬氏體)恕且。(d)在拉伸應(yīng)變?yōu)閪 10%時，打印的Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEA沿全方位角(Ψ?=?0-360°)的二維x射線衍射圖像阎揪。注意吩欣，90°和180°分別對應(yīng)加載方向(LD)和橫向(TD)。
圖9. (a) B2-100在Ψ?=?90°(LD)海庆、(b) BCC/B2-200在Ψ?=?90°(LD)恋瞳、(c) BCC/B2-110在Ψ?=?0°(TD)和(d) BCC/B2-211在Ψ?=?50°(M為馬氏體)拉伸加載過程中隨σT的變化，表明在σT≈631 MPa時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變(紅色部分)溃蔫。
圖10. 形變過程中馬氏體沿TD方向的演化健提。(a, b) BCC/B2-{110}和馬氏體-{020}衍射峰沿TD的綜合強度琳猫，分別作為打印和退火Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEAs的真實應(yīng)力函數(shù)。(c, d)與(a, b)相同私痹，不同之處是作為真實應(yīng)變的函數(shù)脐嫂。
圖11.不同拉伸應(yīng)變下Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2EHEA變形結(jié)構(gòu)的TEM圖像。紅點表示BCC/B2納米片紊遵，藍點表示FCC/L12納米片账千。黃色箭頭表示BCC/B2納米片中的位錯在片層界面上靠近SFs尖端的區(qū)域更容易成核和增殖。
在這項研究中癞蚕，我們使用L-PBF將雙相Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的片層厚度細化到納米級蕊爵，從而改善了其力學性能。超高屈服強度達到1.4 GPa桦山，拉伸延展性達到17%攒射。這使鑄態(tài)時的屈服強度翻了一番，而延展性卻沒有很大的損失恒水。利用原位同步加速器HEXRD和先進的電子顯微鏡技術(shù)会放，揭示了增材制造Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA力學性能顯著增強的微觀結(jié)構(gòu)和變形機制。主要意見總結(jié)如下:首先L-PBF固有的強熱梯度和高冷卻速率為在雙相Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA中實現(xiàn)非平衡姑郊、高度精細的納米層狀結(jié)構(gòu)提供了獨特的途徑匈惑。其次Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2 EHEA的高強度主要來自于精煉的納米層狀結(jié)構(gòu)，L-PBF和有序L12結(jié)構(gòu)的快速凝固導(dǎo)致的位錯進一步增強裂膛。FCC/L12和BCC/B2納米片具有較強的延展性庇鸭，這主要是由于FCC/L12和BCC/B2納米片連續(xù)激活了多種變形機制FCC/L12納米片在5%應(yīng)變左右的變形機制由完全位錯滑移演變?yōu)镾F形核。同時紧贪，半相干層狀界面作為缺陷聚集的首選位置狂嘉，有效地提高了局部應(yīng)力，促進了鄰近BCC/B2納米片中的位錯增殖和馬氏體轉(zhuǎn)變藤该。印后熱處理使我們能夠進一步調(diào)整非平衡微觀結(jié)構(gòu)和變形機制询蚊。兩相間較強的元素分配可以顯著降低SFE，促進FCC納米片中SFs的形成里状。BCC納米沉淀物在BCC/B2納米片中的溶解可以解除空間限制因震，進一步促進馬氏體轉(zhuǎn)變，提高加工硬化能力鳞编。
