西工大蘇海軍團隊新突破,！高強共晶高熵合金復合材料激光增材制造

來源：材料科學與工程

高熵合金(HEA)自2004年首次提出已發(fā)展近二十年，經歷了第一代等原子單相向第二代非等原子多相的轉變,。共晶高熵合金(EHEA)是一類極具發(fā)展前景的雙相高熵合金，以高強度相和高塑性相交替排列的復合結構實現(xiàn)了強度和塑性的良好匹配，已成為金屬結構材料領域的研究前沿,。此外，第二相增強等傳統(tǒng)的強化手段也被逐漸引入增強單相高熵合金,。近年來,，采用增材制造技術制備高熵合金的研究發(fā)展迅速。研究表明,，利用激光增材制造成形元素摻雜或陶瓷顆粒增強高熵合金復合材料,，可以通過多種強化機制協(xié)同作用克服強度-塑性權衡,。然而，高熵合金復合材料的基體材料主要是FCC結構單相高熵合金,，其強度在結構應用方面仍然存在較大的差距,。最近，共晶高熵合金良好的激光成形性已被多個研究團隊證實,。尤其是,，激光粉末床熔融成形的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金不僅展現(xiàn)了納米層片結構，還表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性,，為硬質顆粒強化提供了良好的基礎,。

近日，西北工業(yè)大學蘇海軍教授團隊報道了一種激光粉末床熔融制備的新型SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料,。新型EHEA復合材料的微觀組織特征,，機械性能，以及開裂行為得到了詳細的研究,。結果表明,，EHEA復合材料的極限抗拉強度約為1.5 GPa，延伸率為9%,，處于目前采用激光增材制造工藝制備先進金屬材料性能的領先水平,。但是，在較大尺寸的復合材料構件中會出現(xiàn)嚴重的宏觀橫向和縱向裂紋,，以及少量微裂紋,。分析表明，凝固微裂紋的形成與碳和氧化物顆粒的聚集有關,；由于長柱狀晶的補液能力有限以及凝固收縮的作用,，微裂紋在凝固最后階段形成。宏觀裂紋的形成是由試樣邊緣的拉應力積累引起的,，微裂紋和孔隙所在的應力集中區(qū)是主要的擴展位置,。相關工作以題為“Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion”的研究論文發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology, 2023, 163: 81-91。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.003

1,、開裂行為研究

宏觀裂紋的形成是凝固裂紋和冷裂紋共同作用的結果,。首先在凝固后期，大柱狀晶呈現(xiàn)一個狹長的補液通道,，熔體中不規(guī)則顆粒的存在進一步阻礙熔體補縮,；增強顆粒和基體的熱膨脹系數(shù)差異使得界面處應力集中，在凝固收縮的作用下誘發(fā)微裂紋產生,。打印結束后,，構件頂端中心區(qū)域及底部邊緣區(qū)域承受顯著的拉應力；大量孔隙在構件邊緣區(qū)域堆積，降低邊緣強度,，當邊緣變形量過大,，宏觀裂紋產生。

圖1開裂區(qū)域的EBSD結果: (a) 衍射質量圖; (b) IPF圖; (c) KAM圖; (d) 晶粒對的錯配值

圖2 開裂機制示意圖: (a) 凝固裂紋形成傾向; (b) 冷裂紋形成傾向

2,、機械性能各向異性

顯微硬度測試和室溫壓縮性能測試表明,，復合樣品表現(xiàn)出機械性能的各向異性。當加載方向平行于構建方向(Building direction, BD),，試樣呈現(xiàn)較高的壓縮屈服強度,，較低的抗壓強度；當加載方向垂直于構建方向,，試樣具有較低的壓縮屈服強度和相對較高的抗壓強度,。從力學各向異性的角度來看，試樣屈服強度與抗壓強度呈現(xiàn)相反的趨勢,，說明導致不同性能各向異性的主要因素不完全相同,。

圖3 (a) 復合材料在水平和垂直截面上的顯微硬度值; (b) 復合材料沿構建方向和垂直于構建方向的壓縮性能曲線

圖4 復合材料泰勒因子分布圖: (a) 水平截面; (b) 垂直截面

3、室溫拉伸性能

拉伸性能測試表明,，沉積態(tài)EHEA復合材料水平樣品（加載方向垂直于構建方向）的屈服強度,、抗拉強度和延展性分別為1147 ± 29 MPa, 1466 ± 26 MPa和9% ± 3%，優(yōu)于大多數(shù)未經后處理的激光增材制造成形先進金屬結構材料性能,。與激光粉末床熔融制備的未添加陶瓷顆粒的純EHEA樣品相比,，復合材料樣品的延展性明顯降低，這是由于硬質顆粒和微裂紋的存在造成的,。此外，試樣強度的增加可能是源自于固溶強化和位錯強化,，需要在未來進行更深入的研究,。

圖5 (a) 復合材料拉伸應力應變曲線; (b) 與激光增材制造成形高熵合金材料的室溫力學性能比較

4、結論與展望

本文探究了利用激光粉末床熔融制備SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料的可行性,，并成功證明了其作為高性能結構材料的潛力,。這些發(fā)現(xiàn)將為高熵合金復合材料的設計提供理論及技術基礎，使得具有高性能優(yōu)異成形性的新型高熵合金材料得到快速發(fā)展,，從而加速推動高熵合金的工程化應用,。

通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業(yè)大學材料學院教授,、博士生導師,，材料學院副院長。國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者,，中國有色金屬創(chuàng)新爭先計劃獲得者,，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”,、陜西高校青年創(chuàng)新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創(chuàng)新團隊帶頭人,。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究,，涉及高溫合金、高熵合金,、超高溫復合陶瓷,、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽能電池,、結構功能一體化復合材料以及定向凝固與增材制造技術等,。主持包括國家自然基金重點、優(yōu)青等6項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目,，發(fā)表SCI論文160余篇,。獲授權中國發(fā)明專利50項以及1項美國發(fā)明專利。參編專著3部,。獲陜西高�,？茖W技術研究優(yōu)秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎,、陜西省冶金科學技術一等獎,、全國有色金屬優(yōu)秀青年科技獎和陜西省青年科技獎各1項。