哈工大朱景川教授：硬度高达7.55GPa！激光重熔高性能中熵合金！

来源：材料学网

导读：本文采用光纤激光重熔了一种多相无钴铸态 AlCrFe 2 Ni 2中熵合金 (MEA)。通过表征铸态和重熔的 AlCrFe 2 Ni 2，研究了激光重熔对组织、相分布和机械性能的影响合金。激光重熔工艺使晶粒尺寸从约 780 μm 显着减小到 58.89 μm（纵向截面）和 15.87 μm（横向截面），硬度从 4.72 ± 0.293 GPa 增加到 6.40 ± 0.147 GPa（纵向截面）和7.55 ± 0.360 GPa（横截面）。还发现铸态合金中由FCC相、有序B2相和无序BCC相组成的长边板状组织转变为由交替有序B2相和无序BCC相组成的纳米级编织状组织。重熔后屈服应力从661.9 MPa增加到1347.6 MPa（纵截面）和1647.2 MPa（横断面）。

高熵合金 (HEAs) 和中熵合金(MEAs) 是新开发的合金，它们由具有相等或接近相等摩尔比的几种元素组成。HEA/MEA 的特殊成分特性导致非凡的性能，如高强度和硬度、良好的热稳定性 , 高耐腐蚀性, 理想的高温抗氧化性能和优越的磁性。电弧熔炼是HEA/MEAs最常用的制备方法，可以在一定程度上净化铸锭，改善结晶度。然而，电弧熔化过程中冷却速度低，容易导致粗晶粒的形成，对合金的性能和使用性能产生显着的不利影响。

与电弧熔化工艺相比，激光重熔或基于激光的增材制造（AM）方法可以提供超快的冷却速度（高达 10 4 ～10 7 K/s），这有利于扩大极限固溶，细化晶粒，消除偏析，形成新的亚稳相并最终表现出优异的机械性能。布里夫等人已经使用选择性激光熔化制造了 FeCoCrNi 高熵合金。沉积态 HEA 的屈服应力为 600 MPa，远高于铸态 HEA 的屈服应力 188 MPa。此外，沉积态合金的延伸率为 32%，与铸态合金相当。他们的工作表明，高冷却速率的工艺可以帮助 HEA 同时实现高强度和良好的塑性。由于增强分散性的促进，获得了进一步细化的晶粒。他们发现与没有重熔的 HEA 相比，获得了更高的强度和更好的塑性。

近年来，共晶 HEA 和 MEA 因其在强度-延展性协同方面的优势而受到广泛关注. 这些合金由彼此分离的软相（即FCC 相）和硬相（即B2 相）组成。它们通常在室温下表现出前所未有的高强度和高延展性的结合。这些合金的主要合成方法是电弧熔炼。考虑到优化这些合金铸锭的显微组织和提高其机械性能，由于它们在高温下具有良好的热稳定性，因此很难进行后续热处理。从上述讨论可以看出，激光加工是一种优化微观结构和改善机械性能的有前途的技术。

在此，哈工大朱景川教授团队利用激光来重熔一种多相无 Co 共晶中等熵合金 AlCrFe 2 Ni 2。研究了激光重熔对组织、相演化和机械性能的影响。通过计算四种潜在强化机制中的每一种来评估主要强化机制，以预测重熔 MEA 的屈服应力。由于激光重熔工艺也可以提供类似于AM工艺的热环境，本工作也可以作为探索AlCrFe 2 Ni 2 MEAs合金作为激光基AM原材料的可能性的参考。相关研究成果以题“Refined microstructure and enhanced mechanical properties ofAlCrFe2Ni2 medium entropy alloy produced via laser remelting”发表在国际著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221005715

铸态MEA中存在长边板状FCC、B2相和由B2相和BCC相组成的随机分布的调幅分解结构。重熔后，微观结构转变为由有序B2相和无序BCC相组成的纳米级编织状微观结构。激光重熔后MEA的平均晶粒尺寸显着减小。这表明激光重熔的快速冷却速度促进了细化晶粒的形成。

图1。(a) 铸态和重熔AlCrFe 2 Ni 2合金的XRD图谱；(b) 在 (1 1 0) 处重熔样品峰的放大图像。

图2。(a) AlCrFe 2 Ni2合金重熔区和母材的横截面形貌图像；(b) 铸态合金的晶粒尺寸分布分析。

图3。激光重熔样品的EBSD图像（a）纵向截面的IPF Y图；(b)IPF Y 横断面图；(c) 纵剖面相位分布图；(d) 横截面的相位分布图。

图 5。(a) 铸态 MEA 和 (b) 重熔 MEA 的 SEM 图像；(a) 和 (b) 的插图是更高放大倍数下的 SEM 图像。

图 6。铸态 AlCrFe 2 Ni2合金的TEM 显微照片。(a) 代表性相的 HAADF 图像；(b) 用 STEM绘制的元素分布；(c) 富 FeNiCr FCC 相 (d) 富 AlNi 有序 B2 相 (e) 富 FeCr BCC 相的相应SAED 模式。

图 7。重熔的 AlCrFe 2 Ni2合金的TEM 显微照片。(a) 重熔 MEA 微观结构的 HAADF 图像。插图是放大的 HAADF 图像，显示了纳米尺寸的相；(b) 用 STEM 绘制的 (a) 中标记的相同区域的元素分布；(c) HRTEM 显示 B2 和BCC 相之间的界面；(d) 富含 AlNi 的有序 B2 相和 (e) 富含 FeCr 的 BCC 相的相对 FFT 模式。

重熔的 MEA 表现出优于铸态 MEA的机械性能。重熔后的 MEA 的硬度和屈服强度分别为~7.55GPa 和~1647.2 MPa，延伸率~0.73。重熔后，在不牺牲塑性的情况下，硬度增加，屈服强度显着提高。计算的屈服强度 (1840.66 MPa) 与从纳米压痕结果获得的衍生屈服强度 (1647.2MPa) 一致。详细的强化机制分析表明，位错剪切和粒子剪切机制主导了强化，对重熔 MEA 的屈服强度分别贡献了约 904.02 MPa 和约 700.29 MPa 的强度增量。