哈工大朱景川教授：硬度高達(dá)7.55GPa,！激光重熔高性能中熵合金,！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文采用光纖激光重熔了一種多相無(wú)鈷鑄態(tài) AlCrFe 2 Ni 2中熵合金 (MEA),。通過(guò)表征鑄態(tài)和重熔的 AlCrFe 2 Ni 2,，研究了激光重熔對(duì)組織,、相分布和機(jī)械性能的影響合金,。激光重熔工藝使晶粒尺寸從約 780 μm 顯著減小到 58.89 μm（縱向截面）和 15.87 μm（橫向截面）,，硬度從 4.72 ± 0.293 GPa 增加到 6.40 ± 0.147 GPa（縱向截面）和7.55 ± 0.360 GPa（橫截面）。還發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)合金中由FCC相,、有序B2相和無(wú)序BCC相組成的長(zhǎng)邊板狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛山惶嬗行駼2相和無(wú)序BCC相組成的納米級(jí)編織狀組織,。重熔后屈服應(yīng)力從661.9 MPa增加到1347.6 MPa（縱截面）和1647.2 MPa（橫斷面）。

高熵合金 (HEAs) 和中熵合金(MEAs) 是新開(kāi)發(fā)的合金,，它們由具有相等或接近相等摩爾比的幾種元素組成,。HEA/MEA 的特殊成分特性導(dǎo)致非凡的性能，如高強(qiáng)度和硬度,、良好的熱穩(wěn)定性 , 高耐腐蝕性, 理想的高溫抗氧化性能和優(yōu)越的磁性,。電弧熔煉是HEA/MEAs最常用的制備方法，可以在一定程度上凈化鑄錠,，改善結(jié)晶度,。然而，電弧熔化過(guò)程中冷卻速度低,，容易導(dǎo)致粗晶粒的形成,，對(duì)合金的性能和使用性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

與電弧熔化工藝相比,，激光重熔或基于激光的增材制造（AM）方法可以提供超快的冷卻速度（高達(dá) 10 4 ～10 7 K/s）,，這有利于擴(kuò)大極限固溶，細(xì)化晶粒,，消除偏析,，形成新的亞穩(wěn)相并最終表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。布里夫等人已經(jīng)使用選擇性激光熔化制造了 FeCoCrNi 高熵合金,。沉積態(tài) HEA 的屈服應(yīng)力為 600 MPa,，遠(yuǎn)高于鑄態(tài) HEA 的屈服應(yīng)力 188 MPa。此外,，沉積態(tài)合金的延伸率為 32%,，與鑄態(tài)合金相當(dāng)。他們的工作表明,，高冷卻速率的工藝可以幫助 HEA 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和良好的塑性,。由于增強(qiáng)分散性的促進(jìn),，獲得了進(jìn)一步細(xì)化的晶粒。他們發(fā)現(xiàn)與沒(méi)有重熔的 HEA 相比,，獲得了更高的強(qiáng)度和更好的塑性,。

近年來(lái)，共晶 HEA 和 MEA 因其在強(qiáng)度-延展性協(xié)同方面的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注. 這些合金由彼此分離的軟相（即FCC 相）和硬相（即B2 相）組成,。它們通常在室溫下表現(xiàn)出前所未有的高強(qiáng)度和高延展性的結(jié)合,。這些合金的主要合成方法是電弧熔煉�,？紤]到優(yōu)化這些合金鑄錠的顯微組織和提高其機(jī)械性能,，由于它們?cè)诟邷叵戮哂辛己玫臒岱�(wěn)定性，因此很難進(jìn)行后續(xù)熱處理,。從上述討論可以看出,，激光加工是一種優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和改善機(jī)械性能的有前途的技術(shù)。

在此,，哈工大朱景川教授團(tuán)隊(duì)利用激光來(lái)重熔一種多相無(wú) Co 共晶中等熵合金 AlCrFe 2 Ni 2,。研究了激光重熔對(duì)組織、相演化和機(jī)械性能的影響,。通過(guò)計(jì)算四種潛在強(qiáng)化機(jī)制中的每一種來(lái)評(píng)估主要強(qiáng)化機(jī)制,，以預(yù)測(cè)重熔 MEA 的屈服應(yīng)力。由于激光重熔工藝也可以提供類(lèi)似于AM工藝的熱環(huán)境,，本工作也可以作為探索AlCrFe 2 Ni 2 MEAs合金作為激光基AM原材料的可能性的參考,。相關(guān)研究成果以題“Refined microstructure and enhanced mechanical properties ofAlCrFe2Ni2 medium entropy alloy produced via laser remelting”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221005715

鑄態(tài)MEA中存在長(zhǎng)邊板狀FCC,、B2相和由B2相和BCC相組成的隨機(jī)分布的調(diào)幅分解結(jié)構(gòu),。重熔后，微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎行駼2相和無(wú)序BCC相組成的納米級(jí)編織狀微觀結(jié)構(gòu),。激光重熔后MEA的平均晶粒尺寸顯著減小,。這表明激光重熔的快速冷卻速度促進(jìn)了細(xì)化晶粒的形成。

圖1,。(a) 鑄態(tài)和重熔AlCrFe 2 Ni 2合金的XRD圖譜,；(b) 在 (1 1 0) 處重熔樣品峰的放大圖像。

圖2,。(a) AlCrFe 2 Ni2合金重熔區(qū)和母材的橫截面形貌圖像,；(b) 鑄態(tài)合金的晶粒尺寸分布分析。

圖3,。激光重熔樣品的EBSD圖像（a）縱向截面的IPF Y圖,；(b)IPF Y 橫斷面圖,；(c) 縱剖面相位分布圖,；(d) 橫截面的相位分布圖,。

圖 5。(a) 鑄態(tài) MEA 和 (b) 重熔 MEA 的 SEM 圖像,；(a) 和 (b) 的插圖是更高放大倍數(shù)下的 SEM 圖像,。

圖 6。鑄態(tài) AlCrFe 2 Ni2合金的TEM 顯微照片,。(a) 代表性相的 HAADF 圖像,；(b) 用 STEM繪制的元素分布；(c) 富 FeNiCr FCC 相 (d) 富 AlNi 有序 B2 相 (e) 富 FeCr BCC 相的相應(yīng)SAED 模式,。

圖 7,。重熔的 AlCrFe 2 Ni2合金的TEM 顯微照片。(a) 重熔 MEA 微觀結(jié)構(gòu)的 HAADF 圖像,。插圖是放大的 HAADF 圖像,，顯示了納米尺寸的相；(b) 用 STEM 繪制的 (a) 中標(biāo)記的相同區(qū)域的元素分布,；(c) HRTEM 顯示 B2 和BCC 相之間的界面,；(d) 富含 AlNi 的有序 B2 相和 (e) 富含 FeCr 的 BCC 相的相對(duì) FFT 模式。

重熔的 MEA 表現(xiàn)出優(yōu)于鑄態(tài) MEA的機(jī)械性能,。重熔后的 MEA 的硬度和屈服強(qiáng)度分別為~7.55GPa 和~1647.2 MPa,，延伸率~0.73。重熔后,，在不犧牲塑性的情況下,，硬度增加，屈服強(qiáng)度顯著提高,。計(jì)算的屈服強(qiáng)度 (1840.66 MPa) 與從納米壓痕結(jié)果獲得的衍生屈服強(qiáng)度 (1647.2MPa) 一致,。詳細(xì)的強(qiáng)化機(jī)制分析表明，位錯(cuò)剪切和粒子剪切機(jī)制主導(dǎo)了強(qiáng)化,，對(duì)重熔 MEA 的屈服強(qiáng)度分別貢獻(xiàn)了約 904.02 MPa 和約 700.29 MPa 的強(qiáng)度增量,。