华东理工大学：梯度纳米结构使增材制造的中熵合金具有优异的低温力学性能！

来源： 材料学网

导读：具有高低温性能的增材制造合金可以促进低温应用中几何复杂部件开发。在本研究中，我们对一种增材制造的cocrni基中熵合金实施了超声表面轧制工艺(USRP)，在其中引入了梯度纳米结构。该合金在88 K时表现出较好的强度-塑性平衡，具有较高的塑性(24.6%)，是293 K时的2.07倍，屈服强度高达1274 MPa。优异的屈服强度归因于增材制造和超声表面轧制工艺引起的高密度位错，而显著的塑性提升源于两个方面，增强的异质变形诱导硬化效应和激活的基体区孪晶/微带行为。前者主要来自于梯度层抑制的动态恢复，后者是由于层序断裂能降低和流动应力增大所致。

高/中熵合金(HEAs/MEAs)近年来受到了广泛的关注。特别是具有面心立方(FCC)结构在低温下表现出明显断裂韧性和延展性。然而，其工程应用受到低强度的限制，需要进一步努力在低温下实现强度和延性之间的更优平衡。激光辅助粉末床熔融(LPBF)是一种领先的增材制造(AM)技术，为几何复杂的零件开发提供了一种近网形状的方法。而且，激光辅助粉末床熔融引入的纳米级细胞结构显著提高了材料的强度。

此外，还有一种称为梯度纳米结构的子结构可以有效缓解强度，延性权衡。最近，有研究发现增材制造结合表面改性技术(SMTs)可以改善材料的强度-塑性平衡和抗疲劳性能。为此，采用激光辅助粉末床熔融和超声表面轧制工艺(USRP)制备了具有梯度纳米结构的cocrni基中熵合金。超声表面轧制工艺可以带来高质量的表面和深层梯度微观结构。在低温下达到了良好的强度-塑性平衡。具体来说，该合金的延展性随着温度的降低而显著增强，这主要是由于抑制了动态位错恢复、强化了异质变形诱导(HDI)硬化以及激活了孪晶/微带行为。详细的表征技术进行了支持这一结论。

选取尺寸为15 ~ 53 μm的气雾化(CoCrNi)94Al3Ti3 (at.%)合金粉末作为原料。LBPF过程在TruPrint 1000机器上进行。采用孤岛策略，详细打印参数见附图S1a。此外，为了减轻各向异性，在两个相邻层之间进行了30度旋转。为了构建本文的梯度纳米结构，我们对打印样品(厚度为1.2 mm)进行了双边USRP处理，原理图和具体处理参数见补充图S1b。

华东理工大学相关研究以“Gradient nanostructure induces exceptional cryogenic mechanical properties in an additively manufactured medium entropy alloy”为题发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359646223006061

图1所示。USRP处理后的原始组织。(a-c) usrp处理样品的EBSD图像。(d)从表面到500 μm深度的显微硬度演变。TEM图像显示了USRP处理后样品在0 μm (e)、100 μm (f和g)、200 μm (h)、400 μm (i)和550 μm (j)深度处的微观结构。

图2所示。(a)打印样品和usrp处理样品的工程应力-应变曲线。(b) usrp处理样品的应变硬化率与真应变曲线。(c)本合金与其他合金在延性改善和低温屈服强度方面的比较。

图3 usrp处理样品在293 K和88 K时的显微组织变形。usrp处理样品在293 K (a, b)和88 K (c, d)下，在10%应变下的EBSD图像。(e) 10%应变在293 k下的BF-TEM图像(f) g =矢量下(e)中高亮区域。(g) 10%应变在88 K时的BF-TEM图像，显示了dt的存在。(h) dt和sf的高分辨率TEM (HR-TEM)图像。(i)裂隙样品在88 K时的BF-TEM图像，显示更密集的dt和mb。(j)未变形和10%变形试样的ND图。

图 4 在293 K和88 K下的LUR和纳米压痕试验结果(a) USRP处理样品的真实应力-应变曲线。(b)计算HDI应力和拟合曲线。(c)变形后梯度区和基体区的显微硬度演变。

图 5 293 K和88 K变形组织演变示意图。

综上所述，超声表面轧制工艺处理样品在88 K时具有良好的强度-塑性平衡的原因可以解释如下。屈服强度高的原因主要是由于梯度层的晶粒细化和高密度位错。此外，88 K时延性的显著改善主要归因于两个关键因素，示意图如图5所示。首先，低温变形使HDI效应更强。不受超声表面轧制工艺过程影响的梯度区域和矩阵可分别视为硬域和软域。本文超声表面轧制工艺处理样品中，基体区域由于其相对较低的强度首先经历塑性变形，产生额外的应变硬化。在环境变形的情况下，由于动态恢复的加速，具有高密度先前位错的梯度层很难产生更多的位错，这反映在图4c中几乎不变的显微硬度上。同时，基体区域开始应变硬化，使软、硬区域之间的强度差距缩小，使得HDI应力效率降低，直至位错饱和并发生颈缩。然而，在低温变形后，梯度层的动态恢复被有效抑制，从而使梯度区域恢复应变硬化能力，这可以从图4c中显微硬度的大幅增加中得到证明。随着应变的增加，硬梯度层与软基体之间的强度差异仍然保持在一个较高的水平，足以激活应变分配，从而提供额外的应变硬化。其次，在低温变形过程中，梯度区产生了更多的位错，有利于应变硬化。最后，该方式有利于通过减少位错平均自由程和促进位错联锁来提高应变硬化能力。总而言之，由于HDI效应的增强和额外的变形子结构，应变硬化的增加推迟了颈缩不稳定的发生，并解释了88k时令人印象深刻的强度-塑性平衡。增材制造与超声表面轧制工艺的结合使用为制造低温应用的高性能薄壁零件提供了一条有前途的途径。