位錯和析出相的引入，已被證明是改善金屬材料力學性能和平衡斷裂強度與塑性的有效方法。然而，在金屬材料中很難獲得兩種策略的合適組合，即高密度位錯與高體積分數析出相共存。上海大學、香港城市大學等機構的研究團隊，利用增材制造-3D打印技術成功地在高熵合金(HEA)中實現了高密度位錯結構和高體積分數韌性納米沉淀物的結合。

相關研究論文發表在Acta Materialia期刊

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117975

 研究背景

        高熵合金(HEAs)是一種很有前途的新型結構材料，通常由多種(五種或五種以上)近等原子比例的元素組成。這種化學組成，可以增加混合構型熵的貢獻，克服化合物生成焓，有利于穩定的固溶相的形成。慢擴散、晶格畸變和雞尾酒效應是HEAs的其他特征。這種協同作用，還廣泛地反映在熱電響應和磁性行為中，特別是在力學性能方面。然而，如何同時提高HEAs的強度和延性，仍然是一個很大的挑戰。對于目前的HEAs研究來說，引入位錯或析出相可以緩解強度和延性相互排斥的問題。對于位錯強化，只有當位錯密度達到一定數量級(1015~1016 m−2)時，材料的強度才會有較大的響應。

       為了增加位錯的密度，通常采用嚴重的塑性變形。然而，如果沒有縮頸和位錯的動態湮滅，則不可能在變形過程中保持加工硬化的持續增加。位錯密度的不斷增加必然最終趨于飽和。因此，僅通過引入高密度位錯來提高合金的強度和延展性是有限制的。眾所周知，析出相的引入通常會提高合金的強度，但會降低合金的塑性。然而，在某些情況下，通過對析出相的類型、結構、尺寸和體積分數的控制，可以同時提高合金的高強度和延展性。然而，由于成分和加工工藝的原因，析出相的最大體積分數和尺寸分別接近55%和幾十到數百納米。因此，引入高體積分數析出相，也存在強化限制和強度-塑性權衡。

       如果同時引入位錯和析出兩種強化機制，則可以解決強度和延性的平衡問題。然而，高密度位錯和高體積分數析出相共存似乎很困難，因為HEAs中高體積分數析出相的形成要求合金必須經歷復雜的熱處理和塑性變形過程，其中位錯密度會顯著降低甚至消失，雖然可以得到大體積的析出相。很明顯，傳統的加工技術不能提供有效的方法，來實現HEAs中位錯與析出強化機制的結合。近年來，激光三維(3D)打印技術表現出了一些典型的加工特征，如大的溫度梯度、高的冷卻速率(~ 103~106 ℃/s)，這些特征都表現出了細粒度的微結構、微米-納米亞晶粒結構、位錯網絡結構等。3D打印的位錯結構具有較高的熱穩定性，保證了其在后續熱處理過程中不會被還原。

研究團隊采用3D打印技術合成了一種高密度位錯網絡結構與高體積分數韌性納米沉淀相結合的HEA，形成獨特的位錯-沉淀相骨架(DPS)結構，表現出優異的強度和拉伸延展性。在研究者的3D打印HEA中，DPS結構激活了協同(位錯和析出)強化機制，同時，Lomer-Cottrell (L-C)鎖、納米間距堆積錯(SF)網絡和多個SFs都提高了加工硬化能力，在高強度的前提下保證了大塑性。

 實驗結果

圖1

圖1揭示了預合金氣霧化金屬粉末（Fe28.0Co29.5Ni27.5Al8.5Ti6.5，at.%）的微觀結構和粒度分布、3D 打印構建過程和打印樣品的微觀結構。

圖2

如圖2(a) (b),3D打印樣品（3D-FCNAT）亞晶粒內所含的元素（Fe、Co、Ni、Al和Ti）分布均勻，沒有明顯富集，這證明亞晶粒內部沒有發生沉淀行為。

圖3

研究團隊探索了3D打印樣品和一系列后處理樣品的機械性能。發現 3D-FCNAT780（在 780°C 下退火 4 小時的 3D-FCNAT）表現出最高的強度。在 780 °C 下退火 4 小時不會顯著改變 3D-FCNAT780 中原始結構的形態、晶粒尺寸和取向。3D-FCNAT (13.0 ± 0.9 μm) 和 3D-FCNAT780 (12.7 ± 0.6 μm) 的平均晶粒尺寸幾乎相同。

圖4

圖4 (a) 3D-FCNAT高角度晶界大于15°的核平均取向誤差(KAM)圖。(b) 3D-FCNAT的局部定向錯誤和相對分數。(c) 3D-FCNAT的KAM圖的局部區域放大(掃描步長設置為30 nm)。(d)3D-FCNAT780的高角度晶界大于15°的KAM圖。(e) 3D-FCNAT780的局部定向錯誤和相對分數。(f) 3D-FCNAT780的KAM圖的局部區域放大(掃描步長設置為30nm)。

圖5

圖5 (a) 3D-FCNAT780的中子衍射(ND)譜。(b) 3D-FCNAT780的亮場(BF)掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖像，顯示高密度位錯(HDDss)網絡結構。(c) 3D-FCNAT780的BF STEM圖像，顯示了由DOMCM和OMCNP組成的亞粒結構。

圖6

圖6 (a) 3D-FCNAT780的BF STEM圖像，顯示HDDss網絡。(b)亞晶界處存在位錯纏結的HDDss，對應的EDS圖顯示在亞晶界處沒有元素偏析。

圖7

圖7 (a) 3D-FCNAT780的BF STEM圖像顯示了由OMCNP、DOMCM和少量L21組成的亞粒。(b)局部子粒特征區放大圖。(c) L21高分辨率HADDF-STEM影像。(d)圖c中對應區域的快速傅里葉變換(FFT)模式顯示了L21的超晶格結構。

圖8

圖8 (a)高分辨率高角度環形暗場(HAADF) STEM圖像顯示了L12型有序多組分納米沉淀物(OMCNP)和FCC無序多組分基體(DOMCM)，并確認了界面相干性，能量色散X射線能譜(EDX)圖顯示了OMCNP和DOMCM的成分分布。(b)原子分辨率HAADF-STEM圖像和相應的EDX圖，顯示了OMCNP中Fe、Co、Ni、Al和Ti的原子分布和位置。(c)由OMCNPs和HDDs網絡組成的位錯-析出相骨架(DPS)結構示意圖。

圖9

研究團隊應用 3D 原子探針斷層掃描 (3D-APT) 測試定量描述原子尺度上不同區域的相的三維化學分布、空間位置和形態（圖9）。

圖10

關于獨特的 DPS 架構，研究團隊進行了拉伸測試以評估 3D 打印的 HEA 的機械性能（圖10）。

       總體而言，該研究中的3D打印HEA 具有新穎的位錯沉淀骨架 (DPS) 結構和包裹在 DPS 中的高密度延展性納米沉淀，具有約 1.8 GPa 的超高拉伸強度和約 16% 的最大伸長率。超高強度主要來源于位錯-析出協同強化，而大延展性主要來源于多個層錯（SF）結構的演化。DPS不僅可以在應變過程中減緩位錯運動而不完全阻礙其運動，更重要的是，DPS在變形過程中仍然具有良好的結構穩定性，避免了由于邊界處的應力集中而導致的任何過早失效。DPS的形成促進了金屬基3D打印技術在高性能材料制備中的發展，為進一步提高合金性能提供了有效途徑。

(責任編輯：admin)

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