Acta Materialia: 3D打印高熵合金的加工-结构-性能关系研究

一、 【导读】

        高熵合金（HEAs）是一类含有等摩尔比或近等摩尔比例的五种或更多种元素的新兴合金。其多主元素导致高构型熵和严重的晶格畸变。高熵合金的出现使材料的设计从相图的角落转移到了更宽敞的中心区域，为材料开发开辟了新的机会。许多HEAs已经显示出优异的机械性能，使其成为结构应用中有前途的候选者。

        HEAs目前主要是通过铸造合成。增材制造（AM），也称为3D打印，是一种快速发展的技术，可直接生产几何复杂的零件。许多增材制造的金属合金，如不锈钢、钛合金和HEAs，已经证实具有传统加工路线所无法获得的优越机械性能。

        为了利用增材制造和HEAs的综合优势，目前迫切需要对AM HEAs的微观结构和机械行为进行基本了解。尽管过去十年中，增材制造受到了相当大的关注，然而由于打印技术的变化以及巨大的加工参数空间，即使对于相同的合金成分，也有可能产生不同的微观结构和性能，这导致AM金属合金的加工-结构-性能关系尚不清楚，有必要对其进行进一步探究。

二、【成果掠影】

        最近，南京理工大学曹阳教授联合马萨诸塞大学陈文教授通过激光定向能量沉积（L-DED）和激光粉末床融合（L-PBF）两种不同的打印工艺制备了多组分CoCrFeMnNi合金，并对该AM HEAs的微观结构、力学行为和变形机制进行了比较研究。两种样品中，都形成了高度不均匀的微观结构，由柱状晶粒、凝固单元和位错胞状结构组成。然而，在晶体学织构、单元尺寸和元素分布方面却存在巨大差异。L-DED样品中更深的熔池有助于形成<101>/<111>的混合织构，而L-PBF样品具有较浅熔池，沿着堆叠方向形成<001>织构。尽管L-DED工艺中冷却速率低得多，但是该样品中的<101>/<111>织构促进了泰勒强化，导致其屈服强度与L-PBF样品相当。在L-DED样品中，<101>/<111>织构提高了流变应力，促进了变形孪晶的激活。此外，L-DED样品中更大的凝固单元尺寸和跨越胞壁的元素偏聚增加了位错存储能力和对位错运动的阻碍作用，诱导塑性变形过程中出现大量的平面滑移带和微带。与L-PBF样品相比，L-DED样品中增强的塑性变形能力产生了更持久的应变硬化，从而产生了更高的延展性。

        相关研究成果以题为“ Microstructure and mechanical behavior of additively manufactured CoCrFeMnNi high-entropy alloys: Laser directed energy deposition versus powder bed fusion”发表在国际期刊Acta Materialia上。

三、【核心创新点】

        通过激光定向能量沉积（L-DED）和激光粉末床融合（L-PBF）两种增材制造工艺制造了多组分CoCrFeMnNi合金，不同的工艺产生了不同的微观结构、力学性能和变形机制。与L-PBF样品相比，L-DED样品形成了<101>/<111>的混合织构、更大的凝固单元尺寸和跨越胞壁的元素偏聚，促使其提高了塑性变形能力，产生了更持久的应变硬化，从而获得更优异的强度塑性匹配。

四、【数据概览】

图1 CoCrFeMnNi 粉末，AM扫描策略和打印样品的中子衍射图谱。(a)颗粒尺寸在15-53µm范围内的气体雾化CoCrFeMnNi粉末的SEM图像；(b)双向和交叉激光扫描策略示意图。 狗骨头状样品的拉伸加载方向（LD）垂直于堆叠方向（BD）；(c) L-DED和L-PBF制备的CoCrFeMnNi样品沿堆叠方向的中子衍射图谱。©2023 Acta Materialia Inc.

表1 L-DED 和L-PBF CoCrFeMnNi HEAs的化学组成 (wt.%). ©2023 Acta Materialia Inc.

图2 L-DED样品的微观结构。（a）BD-LD平面中熔池的OM图像；(b) BD-LD平面的IPF-BD图;（c）BD-LD平面的EDS图，显示为明显的元素偏聚；(d) TD-LD平面中位错缠结和致密位错墙的低倍TEM图像；(e) 图(d)中虚线框标记区域的放大TEM图像。©2023 Acta Materialia Inc.

图3 L-PBF样品的微观结构。（a）BD-LD平面中熔池的OM图像；(b) BD-LD平面的IPF-BD图;（c）BD-LD平面的EDS图，表明元素分布均匀，无明显元素偏聚；(d)为TD-LD平面中等轴位错胞的低倍TEM图像；(e) 图(d)中虚线框标记区域的放大TEM图像。©2023 Acta Materialia Inc.

图4 AM CoCrFeMnNi HEAs的反极图。(a)和(b)分别从L-DED样品的BD-LD平面和TD-LD平面导出；(c)和(d)分别从L-PBF样品的BD-LD平面和TD-LD平面导出。©2023 Acta Materialia Inc.

图5 AM CoCrFeMnNi HEAs的拉伸性能。（a）工程应力-应变曲线；(b)真实应力-应变曲线。©2023 Acta Materialia Inc.

图6 AM CoCrFeMnNi HEAs 在2%应变下的变形微观结构。(a)和(b)显示L-DED样品中（1-11）滑移面上低角度界面（LAB）处位错塞积的TEM图像；(c)和(d)显示L-PBF样品中的两组滑移迹线的TEM图像。©2023 Acta Materialia Inc.

图7 AM CoCrFeMnNi HEAs 在16%应变下的变形微观结构。(a)和(b)分别显示L-DED样品中变形孪晶和平面滑移带的TEM图像；(c)和(d)分别显示L-PBF样品中低角度界面（LAB）和平面滑移带阻碍位错滑移的TEM图像；插图（d1）显示了平面滑移带处的位错塞积。©2023 Acta Materialia Inc.

图8 L-DED样品在颈缩应变（~24%）下的变形微观结构。（a）变形孪晶的TEM图像；（b）微带图像；（c）位错与平面滑移带之间的相互作用；（d）图（c）中虚线框标记区域的放大图像；插图（d1）显示了平面滑移带对位错的阻碍作用。©2023 Acta Materialia Inc.

图9 拉伸试验前后L-DED样品的典型IPF图像、KAM图和取向差分布。(a)和(b)分别是在拉伸试验前后获得的IPF图像；(c)和(d)分别是在拉伸试验前和后获得的KAM图谱；(e)和(f)分别为沿着图(a)和(b)中标记的黑线点对点和点对原点获取的取向差变化图。©2023 Acta Materialia Inc.

图10 L-PBF样品拉伸试验前后的典型IPF图像、KAM图谱和取向差分布。(a)和(b)分别是在拉伸试验前后获得的IPF图像；(c)和(d)分别是在拉伸试验前和后获得的KAM图谱；(e)和(f)分别为沿着图(a)和(b)中标记的黑线点对点和点对原点获取的取向差变化图。©2023 Acta Materialia Inc.

图11 AM CoCrFeMnNi的应力松弛试验。（a）真实应力-应变曲线；（b）L-DED（左）和L-PBF（右）样品中不同弛豫应变下可动位错密度随时间的演变：（c）L-DED和L-PBF样品中Re与工程应变的关系：（d）L-DED和L-PBF样品中物理激活体积V*和表观激活体积Va与工程应变的关系。©2023 Acta Materialia Inc.

图12 AM CoCrFeMnNi HEAs的微观结构。（a）低倍OM图像，显示了L-DED样品中熔池的形态和从局部熔池边界向熔池中心生长的枝晶形貌；（b）和（c）分别显示L-DED样品的熔池边界处的柱状枝晶和熔池内部的胞状结构的放大OM图像，表明热梯度方向是径向的；（d）L-DED样品的熔池内沿BD方向＜101＞/＜111＞晶粒取向的示意图（由不同颜色表示）；（e）显示L-PBF样品中熔池形态的低倍OM图像；（f）显示了L-PBF样品中跨越多层熔池沿BD生长的细小枝晶结构的放大OM图像；（g）L-PBF样品的熔池内沿BD方向＜001＞晶粒取向的示意图（用不同颜色表示）。©2023 Acta Materialia Inc.

图13 AM CoCrFeMnNi中的元素分布和SFE起伏。（a）和（b）分别为L-DED和L-PBF样品的SEM图像（样品制备过程中腐蚀产生小孔）；（c）和（d）分别为图（a）和（b）中沿横跨凝固单元界面白线的元素分布；（e）和（f）分别为CoCrFeMnNi中固有SFE和不稳定SFE随Mn成分变化的分布图（根据第一性原理计算）。©2023 Acta Materialia Inc.

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

五、【成果启示】

        综上，本研究使用L-DED和L-PBF这两种具有不同温度梯度和冷却速率的增材制造技术制备CoCrFeMnNi HEAs。两种类型的合金样品显示出不同的熔池几何形状和微观结构，包括晶体学织构和凝固单元结构，导致不同的力学性能和变形机制。二者均表现出非均匀的微观结构，包括非均匀的晶粒几何形状、亚晶粒凝固单元和位错结构。不同之处如下1）：微观结构方面，L-DED样品中形成了与凝固单元相关的显著的元素偏聚，而L-PBF样品中由于较高的冷却速率而形成了相对均匀的元素分布。此外，L-DED样品中较低的熔池宽高比有助于形成<101>/<111>的混合织构。2）力学性能方面，L-DED和L-PBF样品的屈服强度相当，但是L-DED样品显示出更好的抗拉强度和韧性，这是由于其具有<101>/<111>的混合织构、更大的凝固单元尺寸，以及整个凝固单元的元素不均匀性。3）变形机制方面，随着塑性变形的增加，L-DED样品中<101>/<111>晶体织构和由此产生的高流变应力激活了变形孪晶。这种增强的塑性变形能力使其具有更高的延展性。

原文详情：

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。