西工大苏海军教授团队：高强共晶高熵合金复合材料激光增材制造新突破

第一作者：郭一诺
通讯作者：苏海军
通讯单位：西北工业大学深圳研究院；西北工业大学凝固技术国家重点实验室
来源：材料科学与工程

近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了一种激光粉末床熔融制备新型SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料新方法。室温拉伸测试结果表明，EHEA复合材料的极限抗拉强度约为1.5 GPa，延伸率为9%，处于目前采用激光增材制造工艺制备先进金属材料性能的领先水平。同时发现，在较大尺寸的复合材料构件中会出现严重的宏观横向和纵向裂纹，以及少量微裂纹。研究分析表明，凝固微裂纹是由于长柱状晶的补液能力有限以及凝固收缩导致的；宏观裂纹的形成是由试样边缘的拉应力积累引起的，微裂纹和孔隙所在的应力集中区是裂纹主要的扩展位置。

研究背景
高熵合金(HEA)自2004年首次提出已发展近二十年，经历了第一代等原子单相向第二代非等原子多相的转变。共晶高熵合金(EHEA)是一类极具发展前景的双相高熵合金，以高强度相和高塑性相交替排列的复合结构实现了强度和塑性的良好匹配，已成为金属结构材料领域的研究前沿和热点。此外，第二相增强等传统的强化手段也逐渐被引入增强单相高熵合金。近年来，采用增材制造技术制备高熵合金的研究发展迅速。研究表明，利用激光增材制造成形元素掺杂或陶瓷颗粒增强高熵合金复合材料，能够通过多种强化机制协同作用克服强度-塑性平衡。然而，高熵合金复合材料的基体材料主要是FCC结构单相高熵合金，其强度在结构应用方面仍然存在较大的差距。最近，共晶高熵合金良好的激光成形性已被论文作者等多个研究团队证实。尤其是，激光粉末床熔融成形的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金不仅展现了纳米层片结构，还表现出优异的塑性，为硬质颗粒强化提供了良好的基础。

本文亮点
利用激光粉末床熔融开发新型共晶高熵合金复合材料，有望实现高性能结构材料成分优化、缺陷控制、性能提升的一体化成形，加快推进共晶高熵合金的工程化应用。

图文解析

开裂行为研究
宏观裂纹的形成是凝固裂纹和冷裂纹共同作用的结果。首先在凝固后期，大柱状晶呈现一个狭长的补液通道，熔体中不规则颗粒的存在进一步阻碍熔体补缩；增强颗粒和基体的热膨胀系数差异使得界面处应力集中，在凝固收缩的作用下诱发微裂纹产生。打印结束后，构件顶端中心区域及底部边缘区域承受显著的拉应力；大量孔隙在构件边缘区域堆积，降低边缘强度，当边缘变形量过大时宏观裂纹产生。

图1 开裂区域的EBSD结果: (a) 衍射质量图; (b) IPF图; (c) KAM图; (d) 晶粒对错配度

图2 开裂机制示意图: (a) 凝固裂纹形成倾向; (b) 冷裂纹形成倾向

机械性能各向异性
显微硬度测试和室温压缩性能测试表明，复合样品表现出机械性能的各向异性。当加载方向平行于构建方向(Building direction, BD)，试样呈现较高的压缩屈服强度，较低的抗压强度；当加载方向垂直于构建方向，试样具有较低的压缩屈服强度和相对较高的抗压强度。从力学各向异性的角度来看，试样屈服强度与抗压强度呈现相反的趋势，说明导致不同性能各向异性的主要因素不完全相同。

图3 (a) 复合材料在水平和垂直截面上的显微硬度值; (b) 复合材料沿构建方向和垂直于构建方向的压缩性能曲线

图4 复合材料泰勒因子分布图: (a) 水平截面; (b) 垂直截面

室温拉伸性能
拉伸性能测试表明，沉积态EHEA复合材料水平样品（加载方向垂直于构建方向）的屈服强度、抗拉强度和延展性分别为1147 ± 29 MPa, 1466 ± 26 MPa和9% ± 3%，优于大多数未经后处理的激光增材制造成形先进金属结构材料性能。与激光粉末床熔融制备的未添加陶瓷颗粒的纯EHEA样品相比，复合材料样品的延展性明显降低，这是由于硬质颗粒和微裂纹的存在造成的。此外，试样强度的增加可能是源自于固溶强化和位错强化，需要在未来进行更深入的研究。

图5 (a) 复合材料拉伸应力应变曲线; (b) 与激光增材制造成形高熵合金材料的室温力学性能比较

总结与展望
本文探究了利用激光粉末床熔融制备SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料的可行性，并成功证明了其作为高性能结构材料的潜力。这些发现将为高熵合金复合材料的设计提供理论及技术基础，使得具有高性能优异成形性的新型高熵合金材料得到快速发展，从而加速推动高熵合金的工程化应用。

课题组简介
苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师。国家级领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究研究，涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷、结构功能一体化复合材料，以及激光增材制造等。主持包括国家自然基金重点、优青等7项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等众多知名期刊发表论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及2项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。


引用本文
Yinuo Guo, Haijun Su, Hongliang Gao, Zhonglin Shen, Yuan Liu, Di Zhao, Peixin Yang, Quandong Hu, Zhuo Zhang, Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 163 (2023) 81-91.