通過調(diào)控堆垛層錯(cuò)能實(shí)現(xiàn)增材制造高熵合金的裂紋抑制和優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同

來源： AMLetters

在開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)的金屬材料時(shí),，材料的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡是持續(xù)存在的挑戰(zhàn),。多元高熵合金 (HEA) 的提出擴(kuò)大了開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械,、物理和化學(xué)性能的新材料成分空間,。然而,，大多數(shù)HEA使用傳統(tǒng)的鑄造或鍛造工藝制造,，嚴(yán)重限制了復(fù)雜形狀零件及其超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的生產(chǎn),。增材制造 (AM) 在材料加工中獲得了顯著的突出地位，激光粉末床熔融(LPBF)AM技術(shù)在生產(chǎn)HEA零件時(shí)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)制造工藝壓倒性的優(yōu)勢(shì),，該技術(shù)在制造具有超細(xì)晶粒尺寸和高精度的復(fù)雜形狀HEA部件方面具有巨大的潛力,。

由于LPBF過程中的非平衡凝固和熱循環(huán)，在微尺度應(yīng)力誘導(dǎo)開裂方面面臨著重大挑戰(zhàn),。這些條件會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的熱梯度和冷卻速率,，不可避免地會(huì)引起顯著的熱/殘余應(yīng)力并增強(qiáng)熱裂敏感性,。因此，解決這些由熱應(yīng)力引起的有害影響對(duì)LPBF成形HEA 的廣泛應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn),。

現(xiàn)今已提出了各種方法來減輕LPBF成形部件內(nèi)熱循環(huán)引起的微裂紋：I）熱等靜壓使成形的金屬部件致密化并減少微裂紋和孔隙的出現(xiàn),。但不能完全消除表面裂紋，期間的高溫會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化,，從而損害金屬部件的強(qiáng)度,。II）優(yōu)化LPBF成形參數(shù)以減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并最大限度地減少微尺度裂紋，但仍未取得令人滿意的結(jié)果,。III) 修改某些合金的化學(xué)成分,，以調(diào)整凝固路徑。例如,，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量,，通過減少臨界凝固和抑制極端熱循環(huán)期間金屬間化合物的形成，顯著增強(qiáng)了抗熱裂性,。然而,，該技術(shù)目前僅限于狹窄范圍的合金系統(tǒng)，因此,，迫切需要更有效的方法來解決LPBF成形合金中應(yīng)力引起的開裂問題,。

LPBF快速凝固過程中微裂紋的成核和擴(kuò)展可被視為熱應(yīng)力的能量耗散機(jī)制。在此背景下,，中南大學(xué)李瑞迪教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法,，通過調(diào)節(jié)堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 來減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并抑制LPBF加工過程中合金微裂紋的形成。在本研究中,，選擇了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作為基礎(chǔ)材料,，其中摻雜了約 2.4 at.% 的Al來控制SFE值并驗(yàn)證了提出的方法。一方面,，Al的重量輕且成本低廉,，有利于有效改變各種合金系統(tǒng)中的SFE。另一方面,，與 Fe,、Co、Cr 和Ni原子相比,，由于Al的原子半徑較大,，添加Al會(huì)增加晶格摩擦并提高合金的強(qiáng)度。兩種合金的SFE值均通過透射電子顯微鏡 (TEM) 表征和密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算確定,。與不含Al的HEA相比,，在Al摻雜的HEA中觀察到微裂紋顯著減少。此外,，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲勞性,。這項(xiàng)研究為通過激光增材制造工藝操縱SFE來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無裂紋金屬零件提供了寶貴的見解,。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160

圖1. a) LPBF 成形 HEA 懸臂部件示意圖。b,、c) 分別使用 X-CT和EBSD 在無Al HEA 中產(chǎn)生的微裂紋缺陷,；d) 使用三維方法測(cè)量成形的無 Al HEA 懸臂部件的變形。e,、f) 分別使用 X-CT 和 EBSD 表征具有低SFE（堆垛層錯(cuò)能）的無裂紋 Al0.1FeCoCrNi HEA,。g) 摻雜Al的HEA懸臂部件變形結(jié)果。

圖2. LPBF 成形的無Al和摻雜Al的HEA 微觀結(jié)構(gòu)和SFE計(jì)算,。a,、b) 和 d、e) [110] 晶帶軸區(qū)域的明場(chǎng) (BF)-STEM 圖像分別顯示無Al和摻雜Al的HEA 的大量位錯(cuò),。c,、f) 在 1.5% 的應(yīng)變下，無Al和摻雜Al的HEA 樣品中分離位錯(cuò)的弱束暗場(chǎng) (WBDF) 圖像,。g) 圖 2c,、f 中測(cè)量的分離位錯(cuò)的部分分離距離，以及對(duì)應(yīng)于不同值的理論堆垛層錯(cuò)能量曲線,。h) 用于DFT計(jì)算的FeCoCrNi 和Al0.1CoCrFeNi HEA的FCC超晶胞,。i) FeCoCrNi 和 Al0.1CoCrFeNi HEA 沿 [112] 方向的基面GSFE 曲線。

圖3. LPBF成形的無Al和摻雜Al的HEA殘余應(yīng)力和原子應(yīng)變場(chǎng)分析,。a) 通過 X 射線衍射測(cè)量的等原子 FeCoCrNi 殘余應(yīng)力,。b) 兩種 HEA 的表面殘余應(yīng)力。c,d) 微觀結(jié)構(gòu)特征圖分別說明了 HEA 中微觀殘余應(yīng)力的減小,。e,i) 從透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 圖,，揭示了亞微米級(jí)應(yīng)變分布。f–h,j–l) 基于近 [110] 區(qū)域軸的 HR-HAADF 圖像以及相應(yīng)的水平法向應(yīng)變 εxx g,k) 和剪切應(yīng)變 εxy h,l) 圖,。

圖4. LPBF成形的FeCoCrNi和Al0.1CoCrFeNi HEA 在其斷裂區(qū)域附近的力學(xué)性能和變形微觀結(jié)構(gòu),。a) 通過不同方法制造的HEA工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b) 通過數(shù)字圖像相關(guān) (DIC) 檢測(cè)到的LPBF成形HEA摻雜Al的代表性應(yīng)變分配,，以及變形過程中Lüders帶的形成,。c,f) 分別為無Al和HEA摻雜Al的反極圖 (IPF) 。d,g) 分別為HEA 的 BF-STEM 圖像,，顯示存在高密度位錯(cuò)纏結(jié),、堆垛層錯(cuò)和變形孿晶。e,h) 分別為兩個(gè)變形 HEA 的 SAED 圖,。i,j) 典型孿晶和 HCP 馬氏體的暗場(chǎng)圖像,。k) 多層 HCP 結(jié)構(gòu)的原子級(jí) HR-STEM 圖像,。

圖5. LPBF成形HEA的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果和裂紋擴(kuò)展特征,。a) 疲勞裂紋擴(kuò)展速率 (da/dN) 與應(yīng)力強(qiáng)度因子 (ΔK) 曲線,。b) 具有不同 Al 含量的 HEA 的裂紋長(zhǎng)度與加載循環(huán) (N) 曲線。IPF 圖與相應(yīng)的ECC圖像顯示了 c–f) 無 Al 和 g–j) Al 摻雜 HEA 中近裂紋尖端區(qū)域內(nèi)裂紋擴(kuò)展的特征,。

主要結(jié)論

本研究提出了一種新方法,，通過策略性地操縱SFE來減輕LPBF生產(chǎn)的HEA部件中熱應(yīng)力引起的微裂紋。通過在FeNiCoCr 中引入約2.4 at.%的少量Al摻雜,，成功使用LPBF制造了無裂紋的HEA部件,。此外，與不含Al的HEA相比,，摻雜Al的HEA表現(xiàn)出更好的機(jī)械強(qiáng)度和延展性,。通過TEM和第一性原理計(jì)算，證實(shí)了添加Al降低了 FeNiCoCr HEA 的SFE值,。因此,，在成形的無Al HEA中觀察到的由密集位錯(cuò)墻組成的典型胞狀結(jié)構(gòu)在Al摻雜后轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒎植嫉奈诲e(cuò)。此外,，降低的SFE增強(qiáng)了該合金系統(tǒng)對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗力,，從而提高了LPBF成形金屬部件在工業(yè)應(yīng)用中的抗疲勞性。這項(xiàng)工作為開發(fā)具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用和無裂紋特性的增材制造合金提供了寶貴的見解,。

作者簡(jiǎn)介
李瑞迪,，中南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師,。主要研究方向：高性能結(jié)構(gòu)件的激光增材制造/熱壓燒結(jié)技術(shù),。主持國(guó)家自然科學(xué)基金(聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目,、青年項(xiàng)目),、中船重工、中車工業(yè)等科研項(xiàng)目,。第一/通訊作者在Advanced Materials, Acta Materialia, Scripta Materialia, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Additive Manufacturing, Journal of Materials Science and Technology等期刊發(fā)表SCI論文80余篇,，其中ESI高被引6篇、ESI熱點(diǎn)論文1篇,，獲授權(quán)發(fā)明專利20件,。兼任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)難熔金屬分會(huì)副主任委員、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員,、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)理事,，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)分會(huì)委員、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專業(yè)委員會(huì)委員,、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)委員,、全國(guó)鋼標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)增材制造工作組委員。兼任《Advanced Powder Materials》編委,、《粉末冶金材料科學(xué)與工程》編委,、《粉末冶金工業(yè)》編委,、《精密成型工程》編委、《軌道交通材料》編委,、《鑄造技術(shù)》青年編委,、《中國(guó)激光》“前沿激光制造”子刊青年編委。擔(dān)任《Journal of Central South University》“粉末冶金與增材制造”�,？�客座主��,、《中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》“粉末冶金”專刊客座編輯,。入選教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”青年學(xué)者,，湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，湖南省杰出青年科學(xué)基金,，湖湘青年英才,，《全球?qū)W者庫(kù)》2021全球頂尖前十萬科學(xué)家。獲中國(guó)有色金屬青年科技獎(jiǎng),，湖南省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排1）,，中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（排1）。

個(gè)人資料來源：https://faculty.csu.edu.cn/liruidi/zh_CN/index.htm

甘科夫,，中南大學(xué)副教授,，碩士研究生導(dǎo)師，2019年底加入中南大學(xué)材料學(xué)院李志明教授“先進(jìn)多主元合金”團(tuán)隊(duì),。研究方向包括（1）以多尺度力學(xué)（包括宏觀力學(xué)及微納米力學(xué)）表征為媒介,，結(jié)合位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)模擬,，探究金屬材料的小尺度力學(xué)性能,。近幾年針對(duì)微納尺度的合金界面（包括晶界、共格相界面,、非晶-晶體復(fù)合界面等）,、析出、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等,，開展了大量力學(xué)研究,，揭示了各類微觀組織在合金多尺度力學(xué)行為中發(fā)揮的作用，對(duì)金屬材料基于結(jié)構(gòu)調(diào)控的強(qiáng)塑性優(yōu)化提供了有力的理論支持,；（2）面向極端服役條件的先進(jìn)合金（包括高熵合金,、非晶合金及其復(fù)合材料）的設(shè)計(jì)、制造（包括傳統(tǒng)鑄造及機(jī)械熱加工,、先進(jìn)增材制造技術(shù)）及強(qiáng)韌化研究,。相關(guān)成果發(fā)表SCI論文50余篇，包括以第一作者或通訊作者在金屬材料頂刊Acta Materialia、Advanced Materials,，固體力學(xué)頂刊 Journal of the Mechanics and Physics of Solids,、International Journal of Plasticity等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文。

個(gè)人資料來源：https://faculty.csu.edu.cn/gankefu/zh_CN/index.htm

韓昌駿,，華南理工大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師,。2013年9月和2018年3月分別獲得華中科技大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位,，2018年7月至2020年12月在新加坡南洋理工大學(xué)國(guó)家3D成形中心從事博士后研究，2021年1月引進(jìn)華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院工作,。入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程,、廣州市青年科技人才托舉工程。主持主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題,、裝備預(yù)研領(lǐng)域基金等課題近10項(xiàng)，獲2021年第一屆全國(guó)博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)（排1）,、2023年機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng),、廣州科技創(chuàng)新南山獎(jiǎng)（青年科技人才獎(jiǎng)）。長(zhǎng)期從事金屬增材制造研究,，重點(diǎn)圍繞高性能醫(yī)用金屬增材制造,、仿生結(jié)構(gòu)/超材料設(shè)計(jì)與增材制造、多功能金屬材料增材制造,、多能量場(chǎng)增材制造技術(shù)等方面開展基礎(chǔ)研究,。以第一作者/通訊作者在Adv. Mater., Addit. Manuf., Int. J. Mach. Tool. Manu.等國(guó)際期刊發(fā)表論文32篇（SCI共30篇，其中ESI高被引3篇,，10篇影響因子>10）,，Google Scholar引用超3300次。申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng),，撰寫/參編英文專著各1部,，參編中文專著2部，參與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng),。入選2022年,、2023年斯坦福大學(xué)發(fā)布的最具影響力科學(xué)家前2%名單。