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

來源： AMLetters

在開發(fā)應用于工業(yè)的金屬材料時，材料的強度-延展性權(quán)衡是持續(xù)存在的挑戰(zhàn)。多元高熵合金 (HEA) 的提出擴大了開發(fā)具有優(yōu)異機械、物理和化學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，嚴重限制了復雜形狀零件及其超細晶粒結(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零件時表現(xiàn)出比傳統(tǒng)制造工藝壓倒性的優(yōu)勢，該技術(shù)在制造具有超細晶粒尺寸和高精度的復雜形狀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)，在微尺度應力誘導開裂方面面臨著重大挑戰(zhàn)。這些條件會導致相當大的熱梯度和冷卻速率，不可避免地會引起顯著的熱/殘余應力并增強熱裂敏感性。因此，解決這些由熱應力引起的有害影響對LPBF成形HEA 的廣泛應用提出了重大挑戰(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，期間的高溫會導致晶粒粗化，從而損害金屬部件的強度。II）優(yōu)化LPBF成形參數(shù)以減輕熱循環(huán)引起的應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成形合金中應力引起的開裂問題。

LPBF快速凝固過程中微裂紋的成核和擴展可被視為熱應力的能量耗散機制。在此背景下，中南大學李瑞迪教授團隊提出了一種新方法，通過調(diào)節(jié)堆垛層錯能 (SFE) 來減輕熱循環(huán)引起的應力并抑制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會增加晶格摩擦并提高合金的強度。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。這項研究為通過激光增材制造工藝操縱SFE來實現(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計算。a、b) 和 d、e) [110] 晶帶軸區(qū)域的明場 (BF)-STEM 圖像分別顯示無Al和摻雜Al的HEA 的大量位錯。c、f) 在 1.5% 的應變下，無Al和摻雜Al的HEA 樣品中分離位錯的弱束暗場 (WBDF) 圖像。g) 圖 2c、f 中測量的分離位錯的部分分離距離，以及對應于不同值的理論堆垛層錯能量曲線。h) 用于DFT計算的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殘余應力和原子應變場分析。a) 通過 X 射線衍射測量的等原子 FeCoCrNi 殘余應力。b) 兩種 HEA 的表面殘余應力。c,d) 微觀結(jié)構(gòu)特征圖分別說明了 HEA 中微觀殘余應力的減小。e,i) 從透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 圖，揭示了亞微米級應變分布。f–h,j–l) 基于近 [110] 區(qū)域軸的 HR-HAADF 圖像以及相應的水平法向應變 εxx g,k) 和剪切應變 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工程應力-應變曲線。b) 通過數(shù)字圖像相關(guān) (DIC) 檢測到的LPBF成形HEA摻雜Al的代表性應變分配，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纏結(jié)、堆垛層錯和變形孿晶。e,h) 分別為兩個變形 HEA 的 SAED 圖。i,j) 典型孿晶和 HCP 馬氏體的暗場圖像。k) 多層 HCP 結(jié)構(gòu)的原子級 HR-STEM 圖像。

圖5. LPBF成形HEA的疲勞裂紋擴展試驗結(jié)果和裂紋擴展特征。a) 疲勞裂紋擴展速率 (da/dN) 與應力強度因子 (ΔK) 曲線。b) 具有不同 Al 含量的 HEA 的裂紋長度與加載循環(huán) (N) 曲線。IPF 圖與相應的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)出更好的機械強度和延展性。通過TEM和第一性原理計算，證實了添加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。此外，降低的SFE增強了該合金系統(tǒng)對裂紋擴展的抵抗力，從而提高了LPBF成形金屬部件在工業(yè)應用中的抗疲勞性。這項工作為開發(fā)具有優(yōu)異的強度-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。

作者簡介
李瑞迪，中南大學教授，博士生導師。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)。主持國家自然科學基金(聯(lián)合基金重點項目、面上項目、青年項目)、中船重工、中車工業(yè)等科研項目。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熱點論文1篇，獲授權(quán)發(fā)明專利20件。兼任中國材料研究學會難熔金屬分會副主任委員、中國有色金屬學會增材制造技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、中國材料研究學會青年工作委員會理事，中國機械工程學會增材制造技術(shù)分會委員、中國光學學會激光加工專業(yè)委員會委員、中國機械工程學會極端制造分會委員、全國鋼標標準化委員會增材制造工作組委員。兼任《Advanced Powder Materials》編委、《粉末冶金材料科學與工程》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、《中國激光》“前沿激光制造”子刊青年編委。擔任《Journal of Central South University》“粉末冶金與增材制造”專刊客座主編、《中南大學學報（自然科學版）》“粉末冶金”�？�客座編輯。入選教育部“長江學者獎勵計劃”青年學者，湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，湖南省杰出青年科學基金，湖湘青年英才，《全球?qū)W者庫》2021全球頂尖前十萬科學家。獲中國有色金屬青年科技獎，湖南省自然科學二等獎（排1），中國有色金屬工業(yè)科學技術(shù)一等獎（排1）。

個人資料來源：https://faculty.csu.edu.cn/liruidi/zh_CN/index.htm

甘科夫，中南大學副教授，碩士研究生導師，2019年底加入中南大學材料學院李志明教授“先進多主元合金”團隊。研究方向包括（1）以多尺度力學（包括宏觀力學及微納米力學）表征為媒介，結(jié)合位錯動力學、分子動力學模擬，探究金屬材料的小尺度力學性能。近幾年針對微納尺度的合金界面（包括晶界、共格相界面、非晶-晶體復合界面等）、析出、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等，開展了大量力學研究，揭示了各類微觀組織在合金多尺度力學行為中發(fā)揮的作用，對金屬材料基于結(jié)構(gòu)調(diào)控的強塑性優(yōu)化提供了有力的理論支持；（2）面向極端服役條件的先進合金（包括高熵合金、非晶合金及其復合材料）的設計、制造（包括傳統(tǒng)鑄造及機械熱加工、先進增材制造技術(shù)）及強韌化研究。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，固體力學頂刊 Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity等學術(shù)期刊發(fā)表多篇論文。

個人資料來源：https://faculty.csu.edu.cn/gankefu/zh_CN/index.htm

韓昌駿，華南理工大學副教授，博士生導師。2013年9月和2018年3月分別獲得華中科技大學學士和博士學位，2018年7月至2020年12月在新加坡南洋理工大學國家3D成形中心從事博士后研究，2021年1月引進華南理工大學機械與汽車工程學院工作。入選中國科協(xié)青年人才托舉工程、廣州市青年科技人才托舉工程。主持主持國家自然科學基金青年基金、國家重點研發(fā)計劃子課題、裝備預研領(lǐng)域基金等課題近10項，獲2021年第一屆全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎（排1）、2023年機械工業(yè)科學技術(shù)獎科技進步三等獎、廣州科技創(chuàng)新南山獎（青年科技人才獎）。長期從事金屬增材制造研究，重點圍繞高性能醫(yī)用金屬增材制造、仿生結(jié)構(gòu)/超材料設計與增材制造、多功能金屬材料增材制造、多能量場增材制造技術(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。申請發(fā)明專利20余項，撰寫/參編英文專著各1部，參編中文專著2部，參與團體標準1項。入選2022年、2023年斯坦福大學發(fā)布的最具影響力科學家前2%名單。