通过调控堆垛层错能实现增材制造高熵合金的裂纹抑制和优异的强度-延展性协同

来源： AMLetters

在开发应用于工业的金属材料时，材料的强度-延展性权衡是持续存在的挑战。多元高熵合金 (HEA) 的提出扩大了开发具有优异机械、物理和化学性能的新材料成分空间。然而，大多数HEA使用传统的铸造或锻造工艺制造，严重限制了复杂形状零件及其超细晶粒结构的生产。增材制造 (AM) 在材料加工中获得了显著的突出地位，激光粉末床熔融(LPBF)AM技术在生产HEA零件时表现出比传统制造工艺压倒性的优势，该技术在制造具有超细晶粒尺寸和高精度的复杂形状HEA部件方面具有巨大的潜力。

由于LPBF过程中的非平衡凝固和热循环，在微尺度应力诱导开裂方面面临着重大挑战。这些条件会导致相当大的热梯度和冷却速率，不可避免地会引起显著的热/残余应力并增强热裂敏感性。因此，解决这些由热应力引起的有害影响对LPBF成形HEA 的广泛应用提出了重大挑战。

现今已提出了各种方法来减轻LPBF成形部件内热循环引起的微裂纹：I）热等静压使成形的金属部件致密化并减少微裂纹和孔隙的出现。但不能完全消除表面裂纹，期间的高温会导致晶粒粗化，从而损害金属部件的强度。II）优化LPBF成形参数以减轻热循环引起的应力并最大限度地减少微尺度裂纹，但仍未取得令人满意的结果。III) 修改某些合金的化学成分，以调整凝固路径。例如，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量，通过减少临界凝固和抑制极端热循环期间金属间化合物的形成，显着增强了抗热裂性。然而，该技术目前仅限于狭窄范围的合金系统，因此，迫切需要更有效的方法来解决LPBF成形合金中应力引起的开裂问题。

LPBF快速凝固过程中微裂纹的成核和扩展可被视为热应力的能量耗散机制。在此背景下，中南大学李瑞迪教授团队提出了一种新方法，通过调节堆垛层错能 (SFE) 来减轻热循环引起的应力并抑制LPBF加工过程中合金微裂纹的形成。在本研究中，选择了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作为基础材料，其中掺杂了约 2.4 at.% 的Al来控制SFE值并验证了提出的方法。一方面，Al的重量轻且成本低廉，有利于有效改变各种合金系统中的SFE。另一方面，与 Fe、Co、Cr 和Ni原子相比，由于Al的原子半径较大，添加Al会增加晶格摩擦并提高合金的强度。两种合金的SFE值均通过透射电子显微镜 (TEM) 表征和密度泛函理论 (DFT) 计算确定。与不含Al的HEA相比，在Al掺杂的HEA中观察到微裂纹显著减少。此外，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲劳性。这项研究为通过激光增材制造工艺操纵SFE来实现高质量的无裂纹金属零件提供了宝贵的见解。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160

图1. a) LPBF 成形 HEA 悬臂部件示意图。b、c) 分别使用 X-CT和EBSD 在无Al HEA 中产生的微裂纹缺陷；d) 使用三维方法测量成形的无 Al HEA 悬臂部件的变形。e、f) 分别使用 X-CT 和 EBSD 表征具有低SFE（堆垛层错能）的无裂纹 Al0.1FeCoCrNi HEA。g) 掺杂Al的HEA悬臂部件变形结果。

图2. LPBF 成形的无Al和掺杂Al的HEA 微观结构和SFE计算。a、b) 和 d、e) [110] 晶带轴区域的明场 (BF)-STEM 图像分别显示无Al和掺杂Al的HEA 的大量位错。c、f) 在 1.5% 的应变下，无Al和掺杂Al的HEA 样品中分离位错的弱束暗场 (WBDF) 图像。g) 图 2c、f 中测量的分离位错的部分分离距离，以及对应于不同值的理论堆垛层错能量曲线。h) 用于DFT计算的FeCoCrNi 和Al0.1CoCrFeNi HEA的FCC超晶胞。i) FeCoCrNi 和 Al0.1CoCrFeNi HEA 沿 [112] 方向的基面GSFE 曲线。

图3. LPBF成形的无Al和掺杂Al的HEA残余应力和原子应变场分析。a) 通过 X 射线衍射测量的等原子 FeCoCrNi 残余应力。b) 两种 HEA 的表面残余应力。c,d) 微观结构特征图分别说明了 HEA 中微观残余应力的减小。e,i) 从透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 图，揭示了亚微米级应变分布。f–h,j–l) 基于近 [110] 区域轴的 HR-HAADF 图像以及相应的水平法向应变 εxx g,k) 和剪切应变 εxy h,l) 图。

图4. LPBF成形的FeCoCrNi和Al0.1CoCrFeNi HEA 在其断裂区域附近的力学性能和变形微观结构。a) 通过不同方法制造的HEA工程应力-应变曲线。b) 通过数字图像相关 (DIC) 检测到的LPBF成形HEA掺杂Al的代表性应变分配，以及变形过程中Lüders带的形成。c,f) 分别为无Al和HEA掺杂Al的反极图 (IPF) 。d,g) 分别为HEA 的 BF-STEM 图像，显示存在高密度位错缠结、堆垛层错和变形孪晶。e,h) 分别为两个变形 HEA 的 SAED 图。i,j) 典型孪晶和 HCP 马氏体的暗场图像。k) 多层 HCP 结构的原子级 HR-STEM 图像。

图5. LPBF成形HEA的疲劳裂纹扩展试验结果和裂纹扩展特征。a) 疲劳裂纹扩展速率 (da/dN) 与应力强度因子 (ΔK) 曲线。b) 具有不同 Al 含量的 HEA 的裂纹长度与加载循环 (N) 曲线。IPF 图与相应的ECC图像显示了 c–f) 无 Al 和 g–j) Al 掺杂 HEA 中近裂纹尖端区域内裂纹扩展的特征。

主要结论

本研究提出了一种新方法，通过策略性地操纵SFE来减轻LPBF生产的HEA部件中热应力引起的微裂纹。通过在FeNiCoCr 中引入约2.4 at.%的少量Al掺杂，成功使用LPBF制造了无裂纹的HEA部件。此外，与不含Al的HEA相比，掺杂Al的HEA表现出更好的机械强度和延展性。通过TEM和第一性原理计算，证实了添加Al降低了 FeNiCoCr HEA 的SFE值。因此，在成形的无Al HEA中观察到的由密集位错墙组成的典型胞状结构在Al掺杂后转变为分散分布的位错。此外，降低的SFE增强了该合金系统对裂纹扩展的抵抗力，从而提高了LPBF成形金属部件在工业应用中的抗疲劳性。这项工作为开发具有优异的强度-延展性协同作用和无裂纹特性的增材制造合金提供了宝贵的见解。

作者简介
李瑞迪，中南大学教授，博士生导师。主要研究方向：高性能结构件的激光增材制造/热压烧结技术。主持国家自然科学基金(联合基金重点项目、面上项目、青年项目)、中船重工、中车工业等科研项目。第一/通讯作者在Advanced Materials, Acta Materialia, Scripta Materialia, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Additive Manufacturing, Journal of Materials Science and Technology等期刊发表SCI论文80余篇，其中ESI高被引6篇、ESI热点论文1篇，获授权发明专利20件。兼任中国材料研究学会难熔金属分会副主任委员、中国有色金属学会增材制造技术专业委员会副主任委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事，中国机械工程学会增材制造技术分会委员、中国光学学会激光加工专业委员会委员、中国机械工程学会极端制造分会委员、全国钢标标准化委员会增材制造工作组委员。兼任《Advanced Powder Materials》编委、《粉末冶金材料科学与工程》编委、《粉末冶金工业》编委、《精密成型工程》编委、《轨道交通材料》编委、《铸造技术》青年编委、《中国激光》“前沿激光制造”子刊青年编委。担任《Journal of Central South University》“粉末冶金与增材制造”专刊客座主编、《中南大学学报（自然科学版）》“粉末冶金”专刊客座编辑。入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者，湖南省科技创新领军人才，湖南省杰出青年科学基金，湖湘青年英才，《全球学者库》2021全球顶尖前十万科学家。获中国有色金属青年科技奖，湖南省自然科学二等奖（排1），中国有色金属工业科学技术一等奖（排1）。

个人资料来源：https://faculty.csu.edu.cn/liruidi/zh_CN/index.htm

甘科夫，中南大学副教授，硕士研究生导师，2019年底加入中南大学材料学院李志明教授“先进多主元合金”团队。研究方向包括（1）以多尺度力学（包括宏观力学及微纳米力学）表征为媒介，结合位错动力学、分子动力学模拟，探究金属材料的小尺度力学性能。近几年针对微纳尺度的合金界面（包括晶界、共格相界面、非晶-晶体复合界面等）、析出、异质结构等，开展了大量力学研究，揭示了各类微观组织在合金多尺度力学行为中发挥的作用，对金属材料基于结构调控的强塑性优化提供了有力的理论支持；（2）面向极端服役条件的先进合金（包括高熵合金、非晶合金及其复合材料）的设计、制造（包括传统铸造及机械热加工、先进增材制造技术）及强韧化研究。相关成果发表SCI论文50余篇，包括以第一作者或通讯作者在金属材料顶刊Acta Materialia、Advanced Materials，固体力学顶刊 Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity等学术期刊发表多篇论文。

个人资料来源：https://faculty.csu.edu.cn/gankefu/zh_CN/index.htm

韩昌骏，华南理工大学副教授，博士生导师。2013年9月和2018年3月分别获得华中科技大学学士和博士学位，2018年7月至2020年12月在新加坡南洋理工大学国家3D成形中心从事博士后研究，2021年1月引进华南理工大学机械与汽车工程学院工作。入选中国科协青年人才托举工程、广州市青年科技人才托举工程。主持主持国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划子课题、装备预研领域基金等课题近10项，获2021年第一届全国博士后创新创业大赛金奖（排1）、2023年机械工业科学技术奖科技进步三等奖、广州科技创新南山奖（青年科技人才奖）。长期从事金属增材制造研究，重点围绕高性能医用金属增材制造、仿生结构/超材料设计与增材制造、多功能金属材料增材制造、多能量场增材制造技术等方面开展基础研究。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., Addit. Manuf., Int. J. Mach. Tool. Manu.等国际期刊发表论文32篇（SCI共30篇，其中ESI高被引3篇，10篇影响因子>10），Google Scholar引用超3300次。申请发明专利20余项，撰写/参编英文专著各1部，参编中文专著2部，参与团体标准1项。入选2022年、2023年斯坦福大学发布的最具影响力科学家前2%名单。