选区激光熔化与感应熔炼AlCoCrFeNi高熵合金中元素偏析比较分析

供稿人:李青宇，李涤尘

2004年，台湾学者叶均蔚教授与其团队[1]提出了高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）的概念。高熵合金被定义为由五种或以上的元素按照5%-35%原子比例经过混合形成简单而无序的固溶体结构，具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应及性能上的“鸡尾酒”效应。作为近几十年来合金化理论的三大突破之一，其颠覆传统的合金设计理念与独特的高熵效应使合金具备耐高温、高强度、高硬度、耐腐蚀和抗辐照等优异性能。现有高熵合金的成形方法主要为通过感应熔炼工艺形成铸锭，着重在于研究合金本身固有特性，而以工程需求为驱动，耦合这种新材料与激光增材制造成形方法的研究较为少见。

2019年，瑞典乌普萨拉大学化学系的Karlsson[2]分别通过选区激光熔化与感应熔炼成形了AlCoCrFeNi高熵合金，通过电子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction, EBSD）对两种合金的晶粒尺寸进行了评估，如图1所示，由于选区激光熔化过程中凝固速率较快，晶粒尺寸一般小于20μm，远小于通过感应熔炼成形合金的晶粒尺寸（＞300μm）。感应熔炼高熵合金中枝晶与枝晶间区域可以明显发现化学成分不同，存在富FeCr和富NiAl区，而选区激光熔化合金中的微观组织在纳米尺度上才表现出一定的化学成分波动。通过原子探针层析技术（Atom Probe Tomography, APT）对感应熔炼下成形的合金的微观区域进行进一步的检测，如图2所示，可以发现感应熔炼成形的高熵合金微观偏析相较于选区激光熔化更为明显。根据Hall-Petch原理可知，同种材料的晶粒尺寸细小，微观偏析小，则材料具备更优异的力学性能。该研究为激光增材制造高熵合金提供了一定的理论依据。但是Karlsson也指出，在选区激光熔化AlCoCrFeNi高熵合金过程中，会出现一定量的裂纹，这也为激光增材制造大尺寸、复杂高熵合金零部件造成了一定的困难。

图2 AlCoCrFeNi高熵合金电子背散射衍射图

参考文献：
Yeh J W, Chen S K, Lin S J, et al. Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6 (5): 299-303.
Karlsson, D.; Marshal, A.; Johansson, F.; Schuisky, M.; Sahlberg, M.; Schneider, J.M.; Jansson, U. Elemental segregation in an AlCoCrFeNi high-entropy alloy – A comparison between selective laser melting and induction melting[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 784: 195-203.

供稿人:李青宇，李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室