近日，由哈尔滨工业大学威海校区材料科学与工程学院宋晓国教授领导的研究团队联合北京动力机械研究所以及南京理工大学，利用激光增材制造技术实现了高强塑性高熵合金制备，研究成果以“Fabrication of a strong and ductile FeCoCrNiMo0.3 high-entropy alloy with a micro-nano precipitate framework via laser powder bed fusion”为题，发表在复合材料顶刊《Composites Part B: Engineering》（中科院一区TOP期刊，IF：13.1）上（原文链接为https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823005097）。林丹阳副研究员为该论文的第一作者，宋晓国教授为该论文的通讯作者。

激光增材制造技术由于一体化成形复杂结构周期短、精度高等特点逐渐成为航天发动机复杂构件快速迭代和制造的主要形式，可使发动机结构整体减重10%以上，制造周期缩短50%以上，成本降低20~30%。相比于传统合金，性能优异的高熵合金（HEAs）材料作为耐高温高强合金的替换性材料近年来受到航空航天产业的青睐。但目前激光增材制造最常用的FeCoCrNi高熵合金为单相FCC结构，沉淀强化作用的缺失导致其强度较低，而其衍生的沉淀强化高熵合金在变形过程中强化相与基体之间的协调变形能力较差，难以实现强度和塑性的良好兼容。

在FeCoCrNi高熵合金中添加Mo元素从而原位形成σ相可以提高基体强度且与基体形成良好的半共格关系，有效提高高熵合金力学性能。但是，现有高熵合金制备方法如真空电弧熔炼往往导致成形件强度塑性的不可兼容，其原因在于：

（1）电弧熔炼热输入大，导致了粗大的晶粒和σ相，降低了强化效果；

（2）σ相析出形态和大小对高熵合金力学性能至关重要。但是，较低的Mo含量难以在合金中形成足量σ相，而较高的Mo含量又会导致大尺寸连续σ相的析出。

因此，针对高熵合金中纳米析出相形态和尺寸的精确控制成为提高HEA整体强塑性的关键。针对上述问题，宋晓国教授团队提出采用激光粉末床熔融（LPBF）技术，原位生成与基体具有良好结合能力的σ相，并依托增材构件特有的亚结构边界形成微纳尺度的析出相框架结构。试验结果表明，具有微纳尺度框架结构的高熵合金强度及塑性均明显提高。

该研究还通过热力学计算和显微组织观察，揭示了σ相的形成机制和以及变形过程中的位错疏导机制。研究发现，σ相可以分为两种，富Cr的σA相主要在最终凝固过程中析出，而富Mo的σB相在凝固初期析出，这导致了σB相在凝固过程中不断阻碍亚晶长大，并且伴随基体同步生长，促进了σ相框架的形成。σ相框架的引入提高了变形过程中位错滑移的阻力，同时框架对基体的固定作用显著诱导了位错沿平行于析出相方向进行滑移，避免了亚结构边界的位错塞积而引起的局部应力集中，进一步提高了高熵合金抵抗不均匀塑性变形的能力。该设计理念将为同时提高激光增材制造高熵合金的强塑性提供新思路，为金属材料力学性能强化机制的进一步完善添砖加瓦。

近年来，宋晓国教授团队深耕于增材制造高性能合金材料的开发、制备、性能评价等方面的研究，并取得了一系列原创性研究成果，为推动增材制造高性能合金的应用做出了重要贡献。

图1 FeCoCrNiMo0.3 HEA的σ相框架结构

图2 FeCoCrNi和FeCoCrNiMo0.3两种HEAs的非平衡凝固过程 

图3 (a, c)FeCoCrNi和(b, d)FeCoCrNiMo0.3两种HEA在塑性变形后的位错分布及变形过程位错运动示意图

图4 两种HEA的原位DIC结果

图5 HEAs的拉伸性能及断裂方式