編織共晶片層結構促使增材制造點陣結構具有超高強度和高能量吸收能力

增材制造金屬點陣結構近年來成為領域的研究熱門，人們傾向于通過改變點陣結構設計來提升其性能，但這種性能提升往往很有限，選用合適的材料進行點陣結構制備是另一種有望實現性能突破的途徑。北京航空航天大學邱春雷教授團隊在國際知名期刊《Small Structures》 (IF: 13.9)上發(fā)表題為 “Woven eutectic lamellar structures lead to ultrahigh strength and energy absorption capacity in additively manufactured lattice structures”的文章，本文選用了一種高強共晶高熵合金并通過選區(qū)激光熔化制備出了一種高強、高損傷容限和超高能量吸收率的共晶高熵合金點陣結構。研究發(fā)現打印態(tài)的點陣柱包含無數納米共晶片層組織，這些片層組織呈彎曲的長條狀且相互纏繞，形成了一種編織微觀結構。這種獨特的微觀結構為點陣結構帶來了前所未有的有效金屬強度、屈服強度、歸一化強度和比吸收能。在變形過程中，共晶高熵合金中的面心立方納米片層比體心立方的納米片層經歷更大的變形，形成高密度位錯和層錯，導致優(yōu)異的塑性變形能力和能量吸收能力。兩相中的異質變形行為會產生大的局部應變梯度，進而促進強的背應力強化效果。細小的共晶片層團簇以及高密度的團簇界面不僅有利于提高強度，同時還可以有效偏轉裂紋擴展路徑，提升點陣結構的損傷容限性能。不同的點陣結構類型主要通過改變點陣柱內部應力和應變分布以及宏觀變形和斷裂模式來影響點陣結構的力學性能。

研究人員設計了兩種典型的點陣結構類型（FCC點陣結構和BCC點陣結構），選用了一種高強共晶高熵合金并通過選區(qū)激光熔化制備出了高精度的點陣結構（見圖1）。通過調控點陣柱直徑來獲得具有不同相對密度的點陣結構。對制備的點陣結構微觀組織表征發(fā)現，兩種點陣結構點陣柱內均含有黑白鑲嵌的條帶，較亮的條帶共晶片層更細，較暗的條帶共晶片層更粗。每個條帶由一組取向相同的彎曲納米共晶片層團簇組成，形成細長的晶粒，這些共晶片層團簇相互交織，構筑了一種復雜的編織微觀結構（見圖2）。這種編織微觀結構的形成可能與增材制造點陣柱過程中復雜的熱歷史以及流體運動有關。EBSD研究表明這些共晶片層團簇晶體取向各異，織構水平較低，局域錯配度分布非常均勻（見圖3）。

圖1  (a-c) FCC點陣結構與(d-f) BCC點陣結構示意圖及打印態(tài)結構圖：(a, d) 單胞模型；(b,e) 點陣結構模型；(c, f) 打印態(tài)點陣結構.

圖2  打印態(tài)點陣結構微觀組織圖：(a) FCC點陣結構；(b) BCC點陣結構；(c-e) FCC點陣結構內部的共晶片層團簇及形貌.

圖3  (a)3D打印的點陣柱內部結構EBSD反極化圖彩圖，顯示晶粒呈長條狀分布；(b)EBSD局部平均錯配度分布圖（kernel average misorientation（KAM) map）；(c)極化圖顯示低的織構水平；(d)晶界角度分布圖.

對制備的具有不同相對密度的點陣結構進行壓縮測試發(fā)現，點陣結構的屈服強度、彈性模量均隨著相對密度的增加而提高，點陣結構屈服后應力沒有立即下降，相反地，應力不斷在增長或保持穩(wěn)定（見圖4a）。也因此，本研究制備的高熵合金點陣結構展現出極高的比吸收能（見圖4a-b）。在具有相近相對密度的情況下，FCC點陣結構的屈服強度和比吸收能略高于BCC點陣結構。在相同相對密度條件下，本研究制備的高熵合金點陣結構比具有各型設計的其他金屬點陣結構具有更高的屈服強度和比吸收能（見圖4c），展現出更優(yōu)異的損傷容限能力。對相對密度為0.16的FCC點陣結構進行了落錘沖擊測試，發(fā)現該合金點陣結構具有優(yōu)異的動態(tài)能量吸收能力（見圖5），其動態(tài)吸收能高于鋁合金和Ti6Al4V點陣結構。優(yōu)異的靜態(tài)和動態(tài)能量吸收能力使其成為生物醫(yī)學、航空航天領域的一種極具應用潛力的點陣結構。

圖4  打印態(tài)不同相對密度點陣結構的(a) 壓縮應力-應變曲線和(b) 比吸收能；(c) 屈服強度和(d) 比吸收能的對比.

圖5  相對密度為0.16的FCC點陣結構落錘沖擊的(a)力-位移曲線和(b)能量吸收曲線.

對變形量為15 %和50 %的點陣樣品研究發(fā)現，在經歷15 %的變形量后，點陣柱仍保持良好的連接（見圖6a,e），在變形量為50 %時，點陣柱在節(jié)點處產生了斷裂（見圖6c,g），斷口處有大量的韌窩（見圖6d,h），表明發(fā)生了韌性斷裂。對斷裂后的點陣柱縱剖面研究發(fā)現，二次裂紋以穿晶模式擴展，裂紋遇到不同共晶片層團簇時均發(fā)生偏轉（見圖6b,f），說明編織的共晶片層可以有效改變裂紋擴展路徑，進而提高裂紋的擴展能力。

圖6   (a-d) FCC點陣結構和(e-h) BCC點陣結構在不同應變下的形貌. (a, b, e ,f)變形量為15%; (c, d, g, h)變形量為50 %.

利用透射電子顯微鏡對變形量為15 %的BCC點陣結構進一步研究發(fā)現，相比于BCC片層，FCC相片層中含有更高密度的位錯和層錯(見圖7d-f)，說明FCC相經歷了更廣泛的的塑性變形。FCC相片層優(yōu)異的塑性變形能力可以使點陣結構在斷裂前發(fā)生顯著的整體塑性變形。為了進一步研究兩種點陣結構類型的變形機理，對兩種點陣結構的準靜態(tài)壓縮變形進行模擬，兩種點陣結構在變形時表現為不同的應力應變分布，在變形量為10 %時，FCC點陣結構的應力應變分布更加均勻，節(jié)點處有輕微的應力集中，而BCC點陣結構的應力應變主要集中在節(jié)點處(見圖8-9)。在變形量為30 %時，FCC點陣結構的應力和應變集中在對角線和中心區(qū)域，而BCC點陣結構的應力和應變集中在節(jié)點和節(jié)點周圍區(qū)域(見圖8-9)。這說明不同的點陣結構類型可以通過影響應力應變分布來影響點陣結構的宏觀變形模式及力學性能。

圖7  BCC點陣結構在變形量為15%時的變形亞結構：(a-c)FCC和BCC片層結構透射電鏡明場圖及選區(qū)衍射花樣；(d)兩相的位錯分布圖；(e-f) FCC片層內部的位錯與層錯.

圖8   (a-c)FCC點陣結構和(d-f)BCC 點陣結構變形過程中的應力分布圖；(a, d) 初始狀態(tài); (b, e) 變形量為10%；(c, f)變形量為30%.

圖9  (a-c)FCC點陣結構和(d-f)BCC點陣結構變形過程中的應變分布圖；(a, d) 初始狀態(tài); (b, e) 變形量為10%；(c, f)變形量為30%.

原文下載：https://doi.org/10.1002/sstr.202400335.

通訊作者簡介：

邱春雷，教授、博士生導師，于2010年獲得英國伯明翰大學冶金與材料學院博士學位。2011～2016年在伯明翰大學從事研究員工作。2016～2017年任職于英國卡迪夫大學工程學院助理教授。過去十余年主要從事先進近凈成形技術研究，包括激光增材制造、熱等靜壓近凈成形及熱擠壓成形技術。在鈦合金、高溫合金、鋁合金、高熵合金、鈦鋁合金、Invar合金、不銹鋼、難熔金屬等的激光增材制造成形性、激光材料交互作用、凝固行為、缺陷形成與抑制機理、微觀結構演變規(guī)律及力學行為等方面開展了大量研究工作。突破了大型航空鈦合金結構件激光增材制造應力變形和缺陷控制技術，成功制備出多個大型航空部件和結構件，實現多種難成形高性能鋁合金和高熵合金的增材制造成形，開發(fā)出多種具有完全等軸晶組織的新型高強韌鈦合金、鋁合金和高熵合金。作為主要研究者曾參與英國及歐盟多個主要近凈成形及金屬增材制造項目，先后與英國羅爾斯-羅易斯、BAE系統公司、法國賽峰公司、空客、泰雷茲公司、歐洲宇航局、北京航空材料研究院、中國商飛等國內外主要航空航天公司及機構開展合作研究。作為項目負責人承擔了國家重點研發(fā)計劃項目等，參與兩機基礎科學研究中心項目等。在Acta Materialia, Additive Manufacturing等期刊上發(fā)表70多篇SCI論文，被他引5000多次，H因子34,擁有美國發(fā)明專利1項,英國發(fā)明專利1項，中國發(fā)明專利6項。擔任Micromachines和Materials Science in Additive Manufacturing期刊編輯。

第一作者簡介：

籍志勇，博士生，2020年至今就讀于北京航空航天大學邱春雷教授課題組。主要從事激光增材制造和高性能材料的研究。針對高熵合金的激光增材制造成形性、缺陷形成與抑制機理、微觀結構演變規(guī)律及力學行為等方面開展了一些研究工作。在Small Structures、Applied Materials Today、Materials Characterization等期刊上發(fā)表6篇SCI論文。