编织共晶片层结构促使增材制造点阵结构具有超高强度和高能量吸收能力

来源：焊接切割联盟

增材制造金属点阵结构近年来成为领域的研究热门，人们倾向于通过改变点阵结构设计来提升其性能，但这种性能提升往往很有限，选用合适的材料进行点阵结构制备是另一种有望实现性能突破的途径。北京航空航天大学邱春雷教授团队在国际知名期刊《Small Structures》 (IF: 13.9)上发表题为 “Woven eutectic lamellar structures lead to ultrahigh strength and energy absorption capacity in additively manufactured lattice structures”的文章，本文选用了一种高强共晶高熵合金并通过选区激光熔化制备出了一种高强、高损伤容限和超高能量吸收率的共晶高熵合金点阵结构。研究发现打印态的点阵柱包含无数纳米共晶片层组织，这些片层组织呈弯曲的长条状且相互缠绕，形成了一种编织微观结构。这种独特的微观结构为点阵结构带来了前所未有的有效金属强度、屈服强度、归一化强度和比吸收能。在变形过程中，共晶高熵合金中的面心立方纳米片层比体心立方的纳米片层经历更大的变形，形成高密度位错和层错，导致优异的塑性变形能力和能量吸收能力。两相中的异质变形行为会产生大的局部应变梯度，进而促进强的背应力强化效果。细小的共晶片层团簇以及高密度的团簇界面不仅有利于提高强度，同时还可以有效偏转裂纹扩展路径，提升点阵结构的损伤容限性能。不同的点阵结构类型主要通过改变点阵柱内部应力和应变分布以及宏观变形和断裂模式来影响点阵结构的力学性能。

研究人员设计了两种典型的点阵结构类型（FCC点阵结构和BCC点阵结构），选用了一种高强共晶高熵合金并通过选区激光熔化制备出了高精度的点阵结构（见图1）。通过调控点阵柱直径来获得具有不同相对密度的点阵结构。对制备的点阵结构微观组织表征发现，两种点阵结构点阵柱内均含有黑白镶嵌的条带，较亮的条带共晶片层更细，较暗的条带共晶片层更粗。每个条带由一组取向相同的弯曲纳米共晶片层团簇组成，形成细长的晶粒，这些共晶片层团簇相互交织，构筑了一种复杂的编织微观结构（见图2）。这种编织微观结构的形成可能与增材制造点阵柱过程中复杂的热历史以及流体运动有关。EBSD研究表明这些共晶片层团簇晶体取向各异，织构水平较低，局域错配度分布非常均匀（见图3）。

图1  (a-c) FCC点阵结构与(d-f) BCC点阵结构示意图及打印态结构图：(a, d) 单胞模型；(b,e) 点阵结构模型；(c, f) 打印态点阵结构.

图2  打印态点阵结构微观组织图：(a) FCC点阵结构；(b) BCC点阵结构；(c-e) FCC点阵结构内部的共晶片层团簇及形貌.

图3  (a)3D打印的点阵柱内部结构EBSD反极化图彩图，显示晶粒呈长条状分布；(b)EBSD局部平均错配度分布图（kernel average misorientation（KAM) map）；(c)极化图显示低的织构水平；(d)晶界角度分布图.

对制备的具有不同相对密度的点阵结构进行压缩测试发现，点阵结构的屈服强度、弹性模量均随着相对密度的增加而提高，点阵结构屈服后应力没有立即下降，相反地，应力不断在增长或保持稳定（见图4a）。也因此，本研究制备的高熵合金点阵结构展现出极高的比吸收能（见图4a-b）。在具有相近相对密度的情况下，FCC点阵结构的屈服强度和比吸收能略高于BCC点阵结构。在相同相对密度条件下，本研究制备的高熵合金点阵结构比具有各型设计的其他金属点阵结构具有更高的屈服强度和比吸收能（见图4c），展现出更优异的损伤容限能力。对相对密度为0.16的FCC点阵结构进行了落锤冲击测试，发现该合金点阵结构具有优异的动态能量吸收能力（见图5），其动态吸收能高于铝合金和Ti6Al4V点阵结构。优异的静态和动态能量吸收能力使其成为生物医学、航空航天领域的一种极具应用潜力的点阵结构。

图4  打印态不同相对密度点阵结构的(a) 压缩应力-应变曲线和(b) 比吸收能；(c) 屈服强度和(d) 比吸收能的对比.

图5  相对密度为0.16的FCC点阵结构落锤冲击的(a)力-位移曲线和(b)能量吸收曲线.

对变形量为15 %和50 %的点阵样品研究发现，在经历15 %的变形量后，点阵柱仍保持良好的连接（见图6a,e），在变形量为50 %时，点阵柱在节点处产生了断裂（见图6c,g），断口处有大量的韧窝（见图6d,h），表明发生了韧性断裂。对断裂后的点阵柱纵剖面研究发现，二次裂纹以穿晶模式扩展，裂纹遇到不同共晶片层团簇时均发生偏转（见图6b,f），说明编织的共晶片层可以有效改变裂纹扩展路径，进而提高裂纹的扩展能力。

图6   (a-d) FCC点阵结构和(e-h) BCC点阵结构在不同应变下的形貌. (a, b, e ,f)变形量为15%; (c, d, g, h)变形量为50 %.

利用透射电子显微镜对变形量为15 %的BCC点阵结构进一步研究发现，相比于BCC片层，FCC相片层中含有更高密度的位错和层错(见图7d-f)，说明FCC相经历了更广泛的的塑性变形。FCC相片层优异的塑性变形能力可以使点阵结构在断裂前发生显著的整体塑性变形。为了进一步研究两种点阵结构类型的变形机理，对两种点阵结构的准静态压缩变形进行模拟，两种点阵结构在变形时表现为不同的应力应变分布，在变形量为10 %时，FCC点阵结构的应力应变分布更加均匀，节点处有轻微的应力集中，而BCC点阵结构的应力应变主要集中在节点处(见图8-9)。在变形量为30 %时，FCC点阵结构的应力和应变集中在对角线和中心区域，而BCC点阵结构的应力和应变集中在节点和节点周围区域(见图8-9)。这说明不同的点阵结构类型可以通过影响应力应变分布来影响点阵结构的宏观变形模式及力学性能。

图7  BCC点阵结构在变形量为15%时的变形亚结构：(a-c)FCC和BCC片层结构透射电镜明场图及选区衍射花样；(d)两相的位错分布图；(e-f) FCC片层内部的位错与层错.

图8   (a-c)FCC点阵结构和(d-f)BCC 点阵结构变形过程中的应力分布图；(a, d) 初始状态; (b, e) 变形量为10%；(c, f)变形量为30%.

图9  (a-c)FCC点阵结构和(d-f)BCC点阵结构变形过程中的应变分布图；(a, d) 初始状态; (b, e) 变形量为10%；(c, f)变形量为30%.

原文下载：https://doi.org/10.1002/sstr.202400335.

通讯作者简介：

邱春雷，教授、博士生导师，于2010年获得英国伯明翰大学冶金与材料学院博士学位。2011～2016年在伯明翰大学从事研究员工作。2016～2017年任职于英国卡迪夫大学工程学院助理教授。过去十余年主要从事先进近净成形技术研究，包括激光增材制造、热等静压近净成形及热挤压成形技术。在钛合金、高温合金、铝合金、高熵合金、钛铝合金、Invar合金、不锈钢、难熔金属等的激光增材制造成形性、激光材料交互作用、凝固行为、缺陷形成与抑制机理、微观结构演变规律及力学行为等方面开展了大量研究工作。突破了大型航空钛合金结构件激光增材制造应力变形和缺陷控制技术，成功制备出多个大型航空部件和结构件，实现多种难成形高性能铝合金和高熵合金的增材制造成形，开发出多种具有完全等轴晶组织的新型高强韧钛合金、铝合金和高熵合金。作为主要研究者曾参与英国及欧盟多个主要近净成形及金属增材制造项目，先后与英国罗尔斯-罗易斯、BAE系统公司、法国赛峰公司、空客、泰雷兹公司、欧洲宇航局、北京航空材料研究院、中国商飞等国内外主要航空航天公司及机构开展合作研究。作为项目负责人承担了国家重点研发计划项目等，参与两机基础科学研究中心项目等。在Acta Materialia, Additive Manufacturing等期刊上发表70多篇SCI论文，被他引5000多次，H因子34,拥有美国发明专利1项,英国发明专利1项，中国发明专利6项。担任Micromachines和Materials Science in Additive Manufacturing期刊编辑。

第一作者简介：

籍志勇，博士生，2020年至今就读于北京航空航天大学邱春雷教授课题组。主要从事激光增材制造和高性能材料的研究。针对高熵合金的激光增材制造成形性、缺陷形成与抑制机理、微观结构演变规律及力学行为等方面开展了一些研究工作。在Small Structures、Applied Materials Today、Materials Characterization等期刊上发表6篇SCI论文。

来源：籍志勇博士供稿，编辑：张维官，审核：游小秀