華東理工Scripta Mater：增材制造+超聲滾壓，打造航天級超低溫高性能合金

來源：科學拾光

開發(fā)具有優(yōu)異低溫性能的增材制造合金，有助于推動低溫應用領(lǐng)域復雜幾何結(jié)構(gòu)部件的發(fā)展。

本研究通過超聲表面滾壓工藝（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度納米結(jié)構(gòu)。所得合金在88 K下展現(xiàn)出顯著的強度-塑性平衡：斷裂應變達24.6%（是293 K時的2.07倍），屈服強度高達1274 MPa。其超高屈服強度源于增材制造和USRP工藝誘導的高密度位錯，而塑性提升的機制則來自兩方面：一是梯度層中動態(tài)回復抑制導致的異質(zhì)變形誘導硬化效應增強；二是88 K下基體區(qū)域?qū)\晶/微帶行為的激活（由堆垛層錯能降低和高流動應力共同促成）。

1. 梯度納米結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過超聲表面滾壓工藝（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度納米結(jié)構(gòu)，顯著提升了材料在88 K低溫下的強度（屈服強度1274 MPa）與塑性（斷裂應變24.6%，較室溫提高106.8%），突破了傳統(tǒng)強度-塑性倒置關(guān)系。

2. 低溫變形機制創(chuàng)新
發(fā)現(xiàn)低溫下梯度層的動態(tài)回復抑制和基體區(qū)域?qū)\晶/微帶行為的協(xié)同作用：前者增強異質(zhì)變形誘導（HDI）硬化效應，后者因堆垛層錯能降低和高流動應力激活多重變形亞結(jié)構(gòu)（位錯、層錯、孿晶），共同促進應變硬化。

3. 工藝協(xié)同優(yōu)化策略
結(jié)合激光粉末床熔融（LPBF）與USRP技術(shù)，實現(xiàn)高密度位錯和梯度納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控，為增材制造復雜幾何部件在低溫應用中的高性能化提供了新途徑。

研究背景
高/中熵合金（HEAs/MEAs）近年來受到廣泛關(guān)注，其中具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的中熵合金（MEAs）在低溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性和塑性。然而，F(xiàn)CC MEA的低強度限制了其工程應用，亟需通過進一步優(yōu)化以實現(xiàn)低溫下強度與塑性的平衡。激光粉末床熔融（LPBF）作為主流的增材制造（AM）技術(shù)，能夠為復雜幾何部件提供近凈成形解決方案，更重要的是，其引入的納米級胞狀結(jié)構(gòu)可顯著提升材料強度。

梯度納米結(jié)構(gòu)被認為是緩解強度-塑性倒置關(guān)系的有效途徑。例如，Pan等通過在HEA表面構(gòu)建梯度胞狀納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了強度與塑性的協(xié)同提升，其機制主要源于梯度納米層中堆垛層錯（SFs）和變形孿晶（DTs）的漸進形成。近期研究表明，增材制造結(jié)合表面改性技術(shù)（SMTs）可改善材料的強度-塑性平衡與疲勞抗性，這主要歸因于SMTs引入的梯度納米結(jié)構(gòu)及表面缺陷閉合效應。然而，關(guān)于具有梯度納米結(jié)構(gòu)的增材制造合金在低溫性能方面的研究仍較為匱乏。

基于此，本研究采用LPBF和超聲表面滾壓工藝（USRP）制備了具有梯度納米結(jié)構(gòu)的CoCrNi基MEA。USRP能夠賦予材料高質(zhì)量表面和深層梯度微觀組織。該合金在88 K下表現(xiàn)出優(yōu)異的強度-塑性平衡：斷裂應變達24.6%（較293 K提高106.8%），同時屈服強度高達1274 MPa。通過中斷拉伸實驗和微觀表征發(fā)現(xiàn)，其低溫塑性提升的機制源于兩方面：一是梯度層中動態(tài)回復受抑制導致的異質(zhì)變形誘導（HDI）硬化效應增強；二是基體區(qū)域因堆垛層錯能降低和高流動應力激活了孿晶/微帶行為。這些發(fā)現(xiàn)為增材制造復雜部件在低溫應用中的高性能化提供了新思路。

圖1. USRP處理后的原始微觀結(jié)構(gòu) (a-c) USRP處理樣品的EBSD圖像。(d) 從表面到500 μm深度的顯微硬度演變。TEM圖像顯示USRP處理后不同深度（0 μm(e)、100 μm(f和g)、200 μm(h)、400 μm(i)和550 μm(j)）的詳細微觀結(jié)構(gòu)。

圖2. (a) 打印態(tài)和USRP處理樣品在293 K和88 K下的工程應力-應變曲線。(b) USRP處理樣品的應變硬化率與真實應變曲線。(c) 本合金與其他合金在低溫屈服強度與延展性提升方面的對比。

圖3. USRP處理樣品在293 K和88 K下的變形微觀結(jié)構(gòu) (a,b) 293 K下10%應變的EBSD圖像及對應KAM圖。(c,d) 88 K下10%應變的EBSD圖像及對應KAM圖。(e) 293 K下10%應變的BF-TEM圖像。(f) 矢量g=111下(e)中高亮區(qū)域的衍射花樣。(g) 88 K下10%應變的BF-TEM圖像，顯示變形孿晶(DTs)。(h) DTs和堆垛層錯(SFs)的高分辨TEM圖像。(i) 88 K下斷裂樣品的BF-TEM圖像，顯示密集DTs和微帶(MBs)。(j) 未變形和10%變形樣品的中子衍射(ND)圖譜。

圖4. 293 K和88 K下LUR測試和納米壓痕結(jié)果 (a) USRP處理樣品的真實應力-應變曲線。(b) 計算的HDI應力及擬合曲線。(c) 梯度區(qū)和基體區(qū)在不同變形條件下的平均顯微硬度演變。

圖5. 293 K和88 K下變形微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖

文章結(jié)論
本研究通過激光粉末床熔融（LPBF）結(jié)合超聲表面滾壓工藝（USRP）在CoCrNi基中熵合金中成功構(gòu)建了梯度納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了88 K低溫下優(yōu)異的強度-塑性平衡（屈服強度1274 MPa，斷裂應變24.6%）。其高性能機制可歸結(jié)為以下三點：

梯度納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同強化：LPBF和USRP共同引入的高密度位錯（未變形樣品達1.12×10^15 m^-2）和晶粒細化效應（梯度層平均晶�？v橫比降至2.17）顯著提升屈服強度，其中位錯貢獻416 MPa，晶界強化貢獻182 MPa。

低溫抑制動態(tài)回復：88 K下梯度層的動態(tài)回復被顯著抑制，導致異質(zhì)變形誘導（HDI）硬化效應增強（HDI應力增量較293 K提高80%），同時納米壓痕測試顯示梯度層硬度持續(xù)上升（對比293 K的停滯狀態(tài)）。

多重變形機制激活：低溫下基體區(qū)域因堆垛層錯能降低和高流動應力，激活了孿晶/微帶行為（孿晶密度達4.86×10^11 m^-2），并與位錯（增量2.5×10^14 m^-2）協(xié)同作用，通過減少位錯平均自由路徑和促進位錯互鎖，提供持續(xù)應變硬化。

全文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115885