西北工业大学：增材制造异质层片共晶高熵合金实现超高强塑性匹配

| 3DScienceValley · 2022/10/07

共晶高熵合金通过实现微纳米尺度上的异质双相复合结构，有效调节了金属材料强度和塑性之间的矛盾，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。目前制备共晶高熵合金的工艺以传统铸造为主，由于冷却速率较低，其制备的合金组织较为粗大，强度有限，且在制备复杂构件时，工艺复杂，成本较高，影响合金的工程化应用。与传统制造方法相比，选区激光熔化突破了复杂异形构件的技术瓶颈，能够实现复杂构件超细化微观组织与宏观结构的控性控形，为高性能复杂结构金属构件的低成本、短周期、近净成形提供了一体化解决方案。

西北工业大学苏海军教授团队利用选区激光熔化（SLM）技术制备了高致密度AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金样品，重点研究了工艺参数对其共晶组织和力学性能的影响。研究结果表明，沉积态样品呈现优异的强塑性匹配（屈服强度966 MPa，抗拉强度1271 MPa，延伸率22.5%）。与传统铸态样品相比，所得样品屈服强度提升了百分之五十，且塑性没有损失。

相关论文以’Unique strength-ductility balance of AlCoCrFeNi2.1 eutectic high entropy alloy with ultra-fine duplex microstructure prepared by selective laser melting’为题发表在Journal of Materials Science & Technology期刊。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.10.013

论文亮点

将选区激光熔化技术应用于制备共晶高熵合金，有望突破目前制备复杂结构件和高强塑难以兼顾的技术瓶颈，加快推进共晶高熵合金的工程化应用。

图文解析

图1 (a)SLM实验设备；(b) SLM加工原理图; (c) 扫描策略

图2 沉积态样品相对密度随体能量密度的变化规律

激光功率、扫描速率和铺粉层厚等激光加工参数对选区激光熔化成形过程有重要的影响。使用体能量密度（VED）综合表示激光快速成形过程中的激光能量输入对合金致密度的影响，发现合金试样致密度随激光体能量密度的增大呈现先升高后降低的趋势。激光能量输入不足会导致粉末不完全熔化，阻碍粉末沉积，此时熔体前端液体流动受到干扰，产生不规则气孔。但随着体能量密度的进一步增大，激光能量输入过高，高能量积累导致低沸点元素蒸发，形成球形的气孔缺陷。

图2 SLM沉积态样品EBSD分析结果：(a) 纵截面; (b) 横截面

在半圆形熔池中，细长的柱状晶粒沿熔池的法线方向向熔池中心生长，与热流方向一致。同时在熔池下缘观察到大量细小的等轴晶。由于SLM成形过程中极高的冷却速率和温度梯度，AlCoCrFeNi2.1沉积态样品呈现超细的晶粒组织，平均晶粒半径约为2.43µm。这一尺寸不仅远远小于其他工艺制备的共晶高熵合金，还小于同样使用SLM制备的其他合金。

图3 SLM 沉积态样品应力应变曲线(a)和拉伸性能结果(b)

由于激光超快冷却速率获得的组织细化，选区激光熔化试样呈现强度和塑性的协同提升。当VED为141.41 J/mm3时，合金的屈服强度达到966 MPa，抗拉强度为1271 MPa，延伸率为22.5%，呈现强度和塑性的最优结合。

图4 拉伸变形后样品的TEM图

观察拉伸变形后的微观组织形貌，可以发现高密度的位错聚集在FCC胞内，B2相中观察到的位错很少。此外，大量位错堆积在相边界上，不能穿过界面向B2相滑移；但同样观察到连续穿过相边界的滑移迹线，这表明存在一些位错发生了滑移传递。因此认为，FCC/B2异质相界面一方面可以阻碍大量位错运动，另一方面允许部分位错滑移穿过，有利于协同提高合金的强度和塑性。

相比于传统铸造，选区激光熔化制备的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金屈服强度提升了至少50%，且塑性没有损失。与增材制造制备的其他高熵合金试样相比，本合金样品同样展现出高强度和良好塑性的匹配。最后使用优化后的工艺参数成功获得了表面精度高、光洁性好的风扇叶片复杂构件，表明AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有良好的激光加工性，并为高熵合金件的工程化应用增加了更多可能性。

图5 (a)本工作所得合金性能与之前报道的其他工艺制备高熵合金性能的比较; (b)通过SLM成形的AlCoCrFeNi2.1风扇叶片