《Acta Materialia》增材制造亚稳态高熵合金的晶界偏析工程！

来源：材料科学与工程

激光粉末床融合(L-PBF)具有精确的控制系统，在小熔池上具有变化较大的热梯度(G)和生长速率(R)，能够产生分层和非均匀特征组织。凝固参数G和R控制着微观组织特征的形态和大小，因此这些凝固参数在整个凝固熔池中的变化影响着微观组织的异质性和层次性(MHH)。在L-PBF中，通过调控激光功率(P)和扫描速度(v)等工艺参数，可以对凝固参数和MHH进行微调。非等原子高熵合金(HEAs)对这种MHH具有很大的适应性。L-PBF的过程本质上有利于柱状生长，这种柱状生长导致材料的热裂敏感性(HCS)增加。迄今为止，已有一些研究考虑了L-PBF过程中生长形态对合金HCS的影响。然而，溶质偏析是影响凝固过程中晶粒凝聚行为的一个直接因素，但在目前的L-PBF合金设计策略中却很少考虑。到目前为止，大多数研究都使用非均相形核来抑制L-PBF AM中柱状生长。尽管在激光粉末床融合过程中存在胞状和枝晶生长模式的溶质偏析，但溶质偏析对L-PBF加工合金凝固行为的影响尚不清楚。

美国北德克萨斯大学的研究人员使用了晶界偏析工程的概念来抑制L-PBF中固有的柱状生长并产生MHH，还分析了溶质偏析对合金HCS、显微组织和力学性能的影响。相关论文以题为“Segregation engineering of grain boundaries of a metastable Fe-Mn-Co-Cr-Si high entropy alloy with laser-powder bed fusion additive manufacturing”发表在Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117271

本文合金为亚稳态F40Mn20Co20Cr15Si5 (at.%) HEA(简称CS-HEA)，HEA粉末掺杂0.5 wt.%B4C粉末(简称CS-BC)，进行L-PBF处理，硼和碳会产生晶界偏析，导致晶界能降低，迁移率降低，因此这种效应可以抑制热梯度驱动的柱状生长，提高晶界强度，促进MHH。

研究发现硼和碳在晶界处具有较高的偏析倾向，增强了晶界能量。CS-BC中硼出现明显晶界偏析。与制备的CS-HEA相比，制备的CS-BC中柱状生长受到抑制，立方织构受到抑制，晶粒尺寸更小，微观结构以γ-fcc为主。此外，固溶、堆垛层错、析出相和晶粒尺寸的变化构成了CS-BC微观结构的非均匀性和层次性。这样的MHH提高了CS-BC的屈服强度(＞1 GPa)并产生了极高的加工硬化速率。而固溶体中C的保留稳定了CS-BC的γ相，抑制了相变诱导塑性(TRIP)。在L-PBF过程中溶质偏析对合金HCS影响的理论框架表明，合金元素增强了晶界偏析，同时也促进了凝固过程中的晶界钉扎作用，防止了热裂，从而拓宽了合金无裂纹的L-PBF加工窗口。

图1 CS-HEA和CS-BC的EBSD结果对比

图2 孪晶和堆垛层错图

图3 对于加工窗口较宽的合金，MHH的属性可以进行微调，图为不同参数下的CS-BC粒度分布变化

图4 CS-BC 120-800退火试样的元素分布、晶界析出和层错分析

本文研究了溶质偏析对掺杂0.5 wt.% B4C的亚稳态F40Mn20Co20Cr15Si5高熵合金凝固行为、显微组织和力学性能的影响。在CS-BC的退火过程中，γ-fcc相在晶界处形成了富碳析出，并重新建立了亚稳态。这种亚稳态在拉伸变形过程中表现为TRIP效应。与CS-HEA相比，退火后的CS-BC表现出更高的强度和更高且持续的WHR。宽无裂纹的加工窗口和MHH的协同作用允许L-PBF的特定应用制造，因为其组织和力学性能可以根据结构应用的要求进行微调。这种合金设计策略可能会将增材制造工艺扩展到广泛的结构应用领域。