3D打印高性能納米片層共晶高熵合金

來源：化學與材料科學


美國麻省大學（UMass-Amherst）陳文教授與佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）朱廷教授團隊合作在Nature期刊上發(fā)表了一篇題為“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”的研究成果。

該成果首次報道了通過激光3D打印技術來制備具有高強韌力學性能及各向同性特征的雙相納米片層共晶高熵合金，并通過三維原子探針、原位中子衍射、晶體塑性有限元模擬等表征手段揭示了合金的強韌化機理。

論文通訊作者為陳文、朱廷；第一作者為任杰、張寅。其他合作單位包括美國德州農工大學（Texas A&M University）、美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、美國萊斯大學（Rice University）、美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）和美國加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）。

選區(qū)激光熔化技術（Laser powder bed fusion, L-PBF）中極高的溫度梯度和超快的冷卻速率，可以有效地細化晶粒從而實現材料的高強度。目前L-PBF技術制備的納米合金具有高強度但拉伸塑性低。材料強度和塑性的相互制衡（strength-ductility tradeoff）是材料科學中的普遍難題。通過將合金設計的焦點從相圖的角落轉移到中心，從而實現廣闊的成分和相空間，高熵合金的出現為合金設計和材料開發(fā)提供了一種新的范式。特別地，作為一種有潛力的高熵合金，共晶高熵合金具有雙相片層狀異構組織，展示出比傳統(tǒng)合金更優(yōu)異的力學性能。傳統(tǒng)鑄造法制備的共晶片層組織在微米或亞微米尺度，嚴重限制了材料的強度。相反，納米片層組織具有高強度但塑性較低。另外，納米片層組織目前主要通過薄膜沉積和大塑性變形等方法制備，較強的織構會導致材料存在各向異性的力學行為，限制了高熵合金在實際生產中的應用。

因此，美國麻省大學陳文團隊（blogs.umass.edu/wenchen/）利用L-PBF技術制備出高性能的雙相納米片層AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。該材料展示出優(yōu)異的強塑性匹配能力（屈服強度>1.3 GPa，且均勻延伸率大于14%），優(yōu)異的強塑性匹配能力明顯優(yōu)于目前公開報道的3D打印技術制備的其它合金。同時，利用原位中子衍射揭示了應力在不同晶面及FCC和BCC相中的實時分配情況及兩相位錯密度的演變。佐治亞理工學院朱廷團隊（https://www.me.gatech.edu/faculty/zhu-1）開發(fā)了雙相材料晶體塑性有限元模型，首次揭示了BCC納米片層罕見的顯著加工硬化行為。

多尺度非平衡態(tài)納米片層組織實現強度塑性協(xié)同效應。激光選區(qū)熔化打印過程中的極高溫度梯度和冷卻速率使AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金形成了多尺度非平衡態(tài)組織：具有隨機織構的微米尺度共晶團（eutectic colony）中分布著BCC+FCC納米片層結構（平均片層間距：~215 nm），BCC片層中的調幅分解進一步導致納米尺度化學異構。共晶團的隨機晶體學取向和生長方向有助于實現材料的各向同性力學特性。

圖1：AM AlCoCrFeNi2.1的多尺度非平衡態(tài)組織表征。光學顯微組織像和EBSD結果表明共晶團（eutectic colony）具有隨機織構（random texture）。HAADF和APT表征證實了BCC納米片層中的化學調幅（chemical modulation）。


圖2：（a）AM AlCoCrFeNi2.1的拉伸力學性能。（b）圖中紅色五角星代表本研究的結果，實心標志代表材料打印態(tài)性能，空心標志代表材料熱處理態(tài)性能。

BCC納米片層罕見的顯著加工硬化行為有助于提高材料的塑性。傳統(tǒng)BCC納米金屬由于缺乏應變硬化行為而展現出有限的塑性。在這項研究中采用原位中子衍射、雙相晶體塑性有限元模擬及透射電鏡等手段均證明BCC納米片層比FCC納米片層具有更高的位錯密度增殖速率及加工硬化速率。變形過程中FCC片層及半共格片層界面的約束、具有不同取向的相鄰共晶團及共晶團界面的約束，以及BCC片層中的納米尺度化學異構都有助于提高BCC納米片層的應變硬化能力，從而提高材料的塑性。


圖3：通過原位中子衍射研究AM AlCoCrFeNi2.1的變形機理。（a）拉伸方向FCC和BCC特征晶面的晶格應變（lattice strain）隨真應力的演變，圖中標志和實線分別代表中子衍射實驗和晶體塑性有限元模擬結果。（b）拉伸過程中應力在FCC和BCC相中的實時分布。（c）不同應變下合金的中子衍射圖譜。（d）通過改進Williamson-Hall方法計算得到的FCC和BCC相位錯密度隨應變的變化。


圖4：AM AlCoCrFeNi2.1的變形微結構演變。（a-c）不同應變下合金的虛擬明場旋進電子衍射（precession electron diffraction）圖，圖中紅色標志代表BCC納米片層，綠色標志代表FCC納米片層。（d-f）不同應變下合金的高倍明場TEM圖，圖中黃色箭頭指明5%應變量下FCC納米片層中的變形層錯（deformation-induced stacking faults），黃色虛線指明FCC-BCC相界面。（g-i）高分辨TEM圖顯示原子尺度FCC-BCC相界面特征。（j-l）不同應變量下對應的反快速傅里葉變換（IFFT）圖，圖中黃色圓圈指明刃型位錯（edge dislocations）。

該研究揭示了利用激光3D打印特有的熱物理場特性及高熵合金的多主原特性設計高性能雙相/多相，異質納米結構的思路。納米片層組織特有的強韌化機理可有效指導高性能鋁合金及鈦合金多相片層結構設計。

原文鏈接
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04914-8