1.背景介绍

强度和塑性作为结构材料关键力学性能，对构件的服役安全、使用寿命和节能减排等具有重要意义。如何实现超高强度和良好塑性的结合，一直是国内外结构材料领域普遍关注的重大科学问题。作为一种新型高熵合金，共晶高熵合金通常呈现微纳米尺度上高强度相和高塑性相交替规则排列的层片结构，能够有效调节强度和塑性之间的矛盾，同时集合了高熵合金和共晶合金的性能优势，为金属材料的多尺度结构设计和强塑性研究提供了一个新的契机。

目前，铸造、锻压等传统制备工艺已广泛应用于制备共晶高熵合金，并获得了较为优异的综合力学性能。然而，为加速推进共晶高熵合金的工程化应用，高性能共晶高熵合金复杂构件的高质量制备仍然面临严峻挑战。激光粉末床熔融技术(LPBF)是近年来发展的制备高性能复杂结构金属构件的一类先进制造技术。通过高能激光束熔融粉末薄层，较高的冷却速率和温度梯度使打印材料表现超细晶粒、高密度位错亚结构和较高的抗拉强度。因此，通过LPBF制备共晶高熵合金，期望能够充分发挥异质层片结构的组织优势和激光快速凝固的技术优势，获得具有优异强塑性组合和大成形自由度的共晶高熵合金构件。

2.成果介绍

近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了一种通过激光粉末床熔融技术制备获得超高强塑性和大成形自由度共晶高熵合金的新方法。具有超细异质纳米层片结构的共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1表现出超高强度和良好的塑性，屈服强度为1210 MPa，抗拉强度1414 MPa，延伸率16%。研究结果表明，共晶高熵合金的高强度主要来自于晶粒细化和异质相界面的高背应力强化，快速凝固引起的高密度位错和弥散分布的纳米颗粒沉淀提供了额外的强化效果。此外，受粉体表面附着的氧化物杂质颗粒的影响，熔池中规则层片结构的稳定生长产生扰动，胞状结构倾向于产生。具有两级双相结构（超细层片结构和胞状结构）的共晶高熵合金表现出更为显著的强塑性组合，屈服强度1042 MPa，抗拉强度1303 MPa，延伸率26%。相关工作以题为“New insight into tailorable eutectic high entropy alloys with remarkable strength–ductility synergy and ample shaping freedom fabricated using laser powder bed fusion”的研究论文发表在Additive Manufacturing。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103257

粉末原料、制备工艺及成形样件

图1 原始粉末(a-b)和循环粉末(c-d)形态及粒径分布; (e) LPBF设备; (f-g) LPBF制备共晶高熵合金样件

以两批共晶高熵合金粉末为粉末原料成形共晶高熵合金试样。其中一种是采用气雾化制备的商用预合金AlCoCrFeNi2.1粉末，另一种是经LPBF循环多次的AlCoCrFeNi2.1粉末。对两批粉末进行形貌观察和粒径分析，发现多次循环后，粉末仍然保留较好的球形度，粒径轻微增大。利用循环多次的粉末成功成形了空心叶片，呈现较高的表面光洁性。

微观组织形态

图2 以原始粉末为原料制备的沉积态样品(a)(a1)和热处理态样品(b)(b1)微观组织图; 以循环粉末为原料制备的沉积态样品(c)(c1)和热处理态样品(d)(d1)微观组织图

使用原始粉末原料制备的共晶高熵合金试样呈现FCC和B2交替排列的规则层片共晶组织。层片组织的平均共晶间距为244 nm，约为铸态样品的十分之一。胞状结构出现在使用循环粉末制备的共晶高熵合金样品中，胞状结构由近方形的FCC胞和围绕在四周的B2相组成。

图3 (a) 激光与粉末相互作用示意图; (b) 纯共晶稳定生长示意图; (c) 含杂质共晶生长示意图

当激光与粉体相互作用时，氧化物杂质作为第三组元在熔体中存在。在凝固过程中，B2相比FCC相排出更多的氧化物在凝固界面前沿堆积，破坏了共晶等温界面。B2相落后于FCC片层生长，向四周排出FCC原子。由于搭桥作用，FCC层片相互连接形成近方形的胞。

室温力学性能

图4 (a) 工程应力应变曲线; (b) 室温拉伸性能柱状图; (c) 层片试样应力硬化和真应力曲线; (d) 胞状试样应力硬化和真应力曲线

具有胞状结构和层片共晶混合的沉积态试样呈现较好的强塑性组合，屈服强度1042±25MPa，抗拉强度1303±21MPa，延伸率26±2%。完全层片共晶的沉积态试样室温强度明显升高，同时伴随一部分延伸率的损失(1210MPa(σy)/1414MPa(σUTS)/16%(ε))。经600℃/10h热处理后，试样的强度进一步升高，延伸率降低。

图5 (a) LPBF制备层片共晶高熵合金的不同强化机制对屈服强度的贡献; (b-d) LPBF制备共晶高熵合金试样力学性能与多种高性能合金的性能比较

沉积态试样的高屈服强度主要来自于超细晶粒和高密度异质相界面产生的高背应力强化，此外，快速凝固作用下带来的位错网络和分散在两相中的共格纳米沉淀相产生了额外的贡献。所得沉积态试样室温强度远超传统铸造及定向凝固样品，接近于目前增材制造高熵合金的最高水平。

4.结论与展望

该研究综合分析了激光粉末床熔融共晶高熵合金中多尺度微观组织对其强度和应变硬化行为的贡献，为获得具有优异强塑性、任意复杂形状的高性能结构件提供了理论及技术基础。

5.通讯作者简介

苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”，陕西“冶金青年科技标兵”，陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷及结构功能一体化复合材料等。发表SCI论文140余篇。获授权中国发明专利50项以及1项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西有色金属学会一等奖、陕西省科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。