IJP：增材制造的TiNbTaZrMo難熔高熵合金的變形機(jī)制胞狀結(jié)構(gòu)的作用

來源： 多尺度力學(xué)

難熔高熵合金(RHEA)的增材制造具有挑戰(zhàn)性,，關(guān)于其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的相關(guān)信息有限。由于組成元素的熔點(diǎn)差異很大,，因此RHEAs的增材制造仍然是一個(gè)存在的挑戰(zhàn),。此外，在L-PBF-RHEA中克服強(qiáng)度和延性之間的權(quán)衡也是一個(gè)需要考慮的問題,。通常,，具有BCC晶體結(jié)構(gòu)的RHEA比具有FCC結(jié)構(gòu)的HEA具有更高的屈服強(qiáng)度,。然而，RHEA通常表現(xiàn)出相對較低的延展性,。因此,，目前在RHEA領(lǐng)域的主要研究重點(diǎn)是尋找增材制造方法，以提高其屈服強(qiáng)度而不影響其延展性,。來自上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的Changxi Liu等人采用增材制造技術(shù)成功制備了Ti1.5Nb1Ta0.5Zr1Mo0.5(TNTZM)合金,。它具有獨(dú)特的胞狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)阻礙了相鄰胞之間的位錯(cuò)傳遞,，限制了胞內(nèi)的位錯(cuò)滑移,，從而顯著提高了強(qiáng)度和均勻變形。此外,，胞狀結(jié)構(gòu)有助于在后期變形過程中位錯(cuò)的重新分布,，以避免應(yīng)變集中在晶粒內(nèi)。這項(xiàng)工作為提高增材制造的RHEA的力學(xué)性能提供了新的見解,。

圖1. L-PBF制備的TNTZM的典型微觀結(jié)構(gòu),。a，不同長度尺度的胞狀層次結(jié)構(gòu)示意圖,。b,，已構(gòu)建的TNTZM樣品的EBSD IPF圖顯示晶粒方向。c,，大范圍內(nèi)胞狀結(jié)構(gòu)的SEM圖像,。d，顯示晶界和胞壁的(BF) TEM圖像,。e，胞狀結(jié)構(gòu)的TEM圖像和包含胞壁和內(nèi)部區(qū)域的選定區(qū)域電子衍射(SAED)圖案,。f,，HADDF STEM圖像顯示元素偏析，并附有相應(yīng)的成分圖以確認(rèn)偏析,。g,，基體中位錯(cuò)的DF TEM圖像。h, h的放大圖像,。i,，胞壁。j,、i的像差校正后的STEM圖像,。

胞狀結(jié)構(gòu)在TNTZM中非常常見，并且占非常高的體積分?jǐn)?shù),。掃描電鏡圖像顯示了胞狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布范圍,。大多數(shù)胞狀結(jié)構(gòu)是等軸的,，少數(shù)呈板條形狀，尺寸都小于1µm,。胞壁的特定厚度從40到70nm不等,，而晶界是將一個(gè)晶粒與另一個(gè)晶粒分開的外部輪廓。SAED圖顯示為標(biāo)準(zhǔn)的單一BCC結(jié)構(gòu),，沒有明顯的衍射斑點(diǎn),，表明胞壁和內(nèi)部具有相同的BCC結(jié)構(gòu)，排除了胞壁為第二相的可能性,。雖然類似的胞狀結(jié)構(gòu)在鋁基,、鈷基合金和鐵基合金中經(jīng)常被報(bào)道，這些合金中的胞狀結(jié)構(gòu)由第二相形成,；這種現(xiàn)象不同于元素偏析產(chǎn)生的TNTZM,，盡管它們的形態(tài)相似。這種由第二相形成的胞狀結(jié)構(gòu)在變形過程中容易在胞狀區(qū)引發(fā)裂紋,，損害塑性,。

增材制造過程中的快速冷卻導(dǎo)致TNTZM中的殘余應(yīng)力和基體中的位錯(cuò)數(shù)量增加�,？紤]到多主元合金的特性,，基體的晶格畸變較大，相對容易產(chǎn)生較強(qiáng)的釘住效應(yīng),。這些原始位錯(cuò)顯然不受胞壁的影響,，在胞內(nèi)隨機(jī)而均勻地分布。因此,，在TNTZM中觀察到的胞狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為元素偏析,。

在AM制造的合金中觀察到胞狀結(jié)構(gòu)，但胞狀結(jié)構(gòu)的起源仍然是一個(gè)有爭議的話題,。這被認(rèn)為與增材制造的快速凝固過程有著復(fù)雜的聯(lián)系,。前人對胞狀結(jié)構(gòu)的研究主要集中在不銹鋼和具有FCC晶體結(jié)構(gòu)的HEAs上。這些合金的凝固模型可能不適合解釋胞狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制,，因?yàn)樵谥圃爝^程中發(fā)生了相變的附加因素,。此外，孿晶作為一種亞晶結(jié)構(gòu),，在不銹鋼和HEAs中經(jīng)常出現(xiàn),，這對解釋胞狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

圖2.胞狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及形態(tài)演化示意圖,。a,、晶粒形核。b、晶粒生長,。c,、凝固的晶粒。d,、單個(gè)晶粒的胞狀結(jié)構(gòu)生長,。e，晶界處的胞狀結(jié)構(gòu)生長,。f,，制造后的胞狀結(jié)構(gòu)分布。

圖2系統(tǒng)地展示了TNTZM中等軸狀和板條狀胞狀結(jié)構(gòu)分布的形成過程,。在激光掃描過程中,，機(jī)械合金粉末熔化后形成熔池。事實(shí)上,，瞬時(shí)高能量輸入導(dǎo)致了溫度梯度(G),，促進(jìn)了Marangoni效應(yīng)的發(fā)生。這種現(xiàn)象導(dǎo)致熔池內(nèi)復(fù)雜的流體對流,，這被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致顆粒分布的重新配置,。當(dāng)溫度達(dá)到液相時(shí)，由于過冷和能量波動(dòng),，第一批TNTZM在熔池底部成核,，溫度梯度為正(圖2a)。TNTZM的固相界面經(jīng)歷過冷,、向熔池遷移,、晶粒不斷長大的過程(圖2b)。晶粒與其他晶粒接觸后停止生長,，完成凝固(圖2c),。

在單個(gè)晶粒內(nèi)，晶粒內(nèi)部的分解與發(fā)生在晶界附近的分解不同,。在晶粒內(nèi)部,，TNTZM的分解受熱效應(yīng)和元素間相互作用的雙重影響。這可能導(dǎo)致Ti和Ta-Nb元素的分離形成胞狀結(jié)構(gòu),。實(shí)際上，這種分解過程在局部空間中是無方向性的,。因此,，形成了具有等軸形狀的胞狀結(jié)構(gòu)(圖2d)。然而,，與晶粒內(nèi)部相比,，固溶元素對晶界的吸引力更強(qiáng)。此外，被排除在外的Ti原子被吸引并傾向于在晶界處聚集,。在晶界的影響下,，形成等軸胞狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過伸長并轉(zhuǎn)變成板條狀的胞狀結(jié)構(gòu),。因此,，在AM制備的RHEA的情況下，胞狀晶粒內(nèi)部的形貌為等軸形狀,，而晶界兩側(cè)的胞狀結(jié)構(gòu)形態(tài)為板條形狀,。

圖3. 不同應(yīng)變水平下TNTZM胞狀結(jié)構(gòu)的變形結(jié)構(gòu)。a, b,，胞狀結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)分布,。a，胞狀結(jié)構(gòu)的HADDF圖像,。b, a的DF圖像,，c, d，在~ 10%應(yīng)變下具有代表性的變形組織,。c,、變形后的胞狀結(jié)構(gòu)HADDF圖像。結(jié)構(gòu)的形狀和大小幾乎沒有改變,。d, c的DF圖像,，顯示兩種不同類型的位錯(cuò)。在d1區(qū),，紅色箭頭所示的位錯(cuò)堆積在胞壁附近,。在d2區(qū)域，紅色箭頭表示的位錯(cuò)被胞壁吸收,。e-f,， ~ 45%應(yīng)變時(shí)的變形組織。e,、變形后的胞狀結(jié)構(gòu)HADDF圖像,。結(jié)構(gòu)的形狀和大小明顯改變。f, e的DF圖像,，顯示許多位錯(cuò)被吸收并儲存在胞壁中,。g，隨應(yīng)力增加胞壁對位錯(cuò)影響的示意圖,，表明胞壁首先阻礙隨后的吸收,。

本研究利用L-PBF制備了分層胞狀結(jié)構(gòu)TNTZM RHEA，產(chǎn)生了獨(dú)特的力學(xué)性能和變形機(jī)制,。這項(xiàng)工作證明了增材制造技術(shù)可以提高RHEA的延展性,，為分層結(jié)構(gòu)的RHEAs奠定了新的技術(shù)基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

1.TNTZM具有優(yōu)異的延展性，超過了其他RHEA材料,，同時(shí)也達(dá)到了904 MPa的屈服強(qiáng)度,。這些優(yōu)異的性能源于層次上不均勻的微觀組織的綜合作用，包括位錯(cuò),、凝固胞狀組織和晶界,。

2. 通過增材制造引入胞狀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度和延性顯著協(xié)同作用的有效方法。已經(jīng)觀察到胞壁在初始階段阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),，有效提高了TNTZM的屈服強(qiáng)度,。此外，隨著位錯(cuò)密度的增加,，胞壁的作用從阻礙位錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)槲蘸蛢Υ嫖诲e(cuò),。這種儲存在胞壁中的位錯(cuò)行為有效地防止了應(yīng)變破裂，促進(jìn)了更均勻的晶粒變形,，可以有效地提高塑性,。

3. TNTZM的主要變形機(jī)制是位錯(cuò)滑移，滑移發(fā)生在單個(gè)或多個(gè)胞狀結(jié)構(gòu)內(nèi),，胞狀結(jié)構(gòu)使單個(gè)晶粒內(nèi)的位錯(cuò)滑移更加均勻,。
相關(guān)研究成果以“Deformation mechanisms of additively manufactured TiNbTaZrMo refractory high-entropy alloy: The role of cellular structure”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity（Volume: 173 ,2024,103884）上，論文第一作者為Changxi Liu,，通訊作者為Lai-Chang Zhang和Liqiang Wang,。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103884