Nature一下：3D打出强韧的纳米片层高熵合金

1. 导读

增材制造通常会在钢、钴或镍基高温合金、铝合金、钛合金和高熵合金(HEAs)等金属材料中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微结构。共晶高熵合金(EHEAs)是一种非常有前景的多主元合金，它可以形成双相片层簇的分级微结构，从而为获得优异的力学性能提供了巨大的潜力。常规的凝固方法生产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，纳米层金属表现出高强度，但以低延展性为代价。这些材料是通过薄膜沉积或严重的塑性变形制备的，通常导致具有强塑性各向异性的高织构纳米结构，限制了它们的实际应用。

这不，一项新的研究通过利用激光粉末床熔合(L-PBF)技术的极端打印条件和HEAs的有利成分效应，以嵌入到AlCoCrFeNi_2.1 EHEA共晶簇的双相纳米片层的形式，产生了一种独特的远离平衡态的微结构。研究了增材制造的EHEAs合金的强化和硬化行为的机理，并将其应用于高性能金属合金的设计。

2. 成果掠影

最近，由来自美国麻省大学的陈文教授和佐治亚理工学院的朱廷教授代领的研究团队，使用L-PBF打印了AlCoCrFeNi2.1的双相纳米层状高熵合金(HEAs)，该合金表现出了约1.3GPa的高屈服强度和约14%的均匀伸长率，超过了其它最先进的加工方法制造的金属合金。研究表明：高屈服强度源于由面心和体心立方纳米层交叠的双相结构的强化效应;体心立方纳米层比面心立方纳米层具有更高的强度和硬化速率。所打印的分级微结构具有较高的加工硬化能力，从而导致了大的拉伸韧性，这种结构以双相纳米层的形式嵌入到微米级共晶簇中，其几乎随机的取向促进了各向同性的机械性质。对3D打印方法制备的HEAs变形行为的机理研究对开发具有优异机械性能的分级、双相和多相纳米结构合金具有广泛的影响。相关成果以“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”发表在Nature期刊上。

3. 核心创新点

将L-PBF激光3D打印技术与EHEAs的有利成分效应相结合，开发出一类具有高屈服强度和高韧性的双相纳米层状高熵合金

4. 数据概览

图1 增材制造的AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的微观结构； a、从左至右为打印的散热风扇、八隅体格子(支柱尺寸约300 μm)、齿轮；b、AlCoCrFeNi_2.1 EHEA打印后的三维重建光学显微图，层间边界、熔池边界和激光扫描轨迹分别用蓝色线、橙色线和红色箭头表示。构建方向(BD)是垂直的；c，AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的横截面EBSD IPF图，显示了放大的局部区域，在该区域，相邻的纳米层状共晶区域呈现出不同的晶体取向；d，纳米层状结构的二次电子显微图；e, bcc和fcc纳米层的明场TEM图像(分别用红点和绿点表示)，插图显示了分别倾斜于晶带轴(B) [11]bcc和[011]fcc的PED图；f、AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA中bcc(左)和fcc(右)片层厚度的分布；g, HAADF-STEM图像显示bcc片层内的调制纳米结构；h、100×78×5 nm3范围内fcc/bcc界面元素分布的APT图。bcc片层内的化学波动表现为纳米级的富Ni-Al区和富Co-Cr-Fe区 © 2022 Springer Nature

图2 AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs的拉伸性能；a、AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs打印后和退火后的拉伸应力应变曲线。曲线上标注了屈服强度(σ_0.2)和极限抗拉强度(σ_u)。插图显示了拉伸载荷下的狗骨状样品的示意图；b、AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs与高性能增材制造合金强度延展性的对比(σ_0.2 >800 MPa)，包括大块金属玻璃复合材料(BMGCs)，钢，镍基高温合金，钛基合金和HEAs。实心和空心符号分别表示打印时和打印后样品的性质 © 2022 Springer Nature

图3 单向拉伸过程中fcc相和bcc相的晶格应变和应力分配；a，典型fcc({111}、{200}、{220}和{311})和bcc({110}、{211}和{321})晶体平面族晶格应变随宏观真应力的沿加载方向的演化。实验结果和仿真结果分别用符号和实线表示。宏观屈服强度用红色虚线表示；b，bcc相和fcc相宏观应力-应变响应的DP-CPFE模拟结果。c，变形过程中沿加载方向不同拉伸应变(ε)下的中子衍射谱。d, bcc和fcc相中位错密度对应变的影响，由c的衍射光谱和改进的Williamson Hall方法(补充部分3)导出。误差条表示标准偏差© 2022 Springer Nature

图4 细观和原子尺度变形结构；a-c，虚拟明场PED显微照片显示了在拉伸应变约为0% (a)， 5% (b)和15% (c)时，bcc(红点)和fcc(绿点)纳米层位错亚结构的演化；与传统的位错成像相比，PED的优点是消除了大多数动态效应，从而获得更清晰的位错对比。D-f，拉伸应变约为0% (d)，5% (e)和15% (f)时变形亚结构的高倍明场TEM显微图。5%应变下，fcc纳米层中观察到变形引起的堆垛层错，用黄色箭头标出。相界面由黄色虚线表示；g-i, HRTEM显微图显示了在拉伸应变约为0% (g)， 5% (h)和15% (i)时原子水平的bcc和fcc相界面，以及FFT模型(插图)。J-l, 分别为g-i中黄色方框区域的IFFT显微图。IFFT只显示位错的刃型分量(黄色虚线圈突出显示)，但螺钉分量并不容易看到 © 2022 Springer Nature

5. 成果启示

基于激光粉末床熔合(L-PBF)技术的极端打印和HEAs的有利成分效应的联合，实现了高屈服强度和高拉伸韧性的优异组合，这一有趣的新发现为其他共晶高熵合金体系的性能提升提供了一条路径。当然，丰富多样的复杂多相层状结构可能是其中最具科学价值的有益开拓。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8