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《Nature》:3D打印高性能共晶高熵合金!

研究背景

增材制造(AM)为工程应用逐层生产网状构件,通常会在金属材料(包括钢、钴或镍基高温合金、铝合金、钛合金和高熵合金HEAs)中产生具有高度异质晶粒几何形状、亚晶粒位错结构和化学偏析的微观结构。共晶高熵合金(EHEAs)是一类很有前途的多主元素合金(也称为成分复杂合金),可形成双相层状集落的分级显微结构,因此为获得优异机械性能提供了巨大潜力。然而,通过常规固化途径,薄片的厚度通常在微米或亚微米范围内,这限制了EHEAs可达到的强度。

通过激光粉末床熔合(L-PBF)的金属合金的3D打印技术涉及大温度梯度和快速冷却,这使得能够在纳米尺度上细化微观结构以实现高强度。然而,通过激光3D打印技术生产的高强度纳米结构合金通常延展性有限,限制了它们的实际应用。

研究成果

美国马萨诸塞大学Wen Chen和佐治亚理工学院Ting Zhu等人合作报道了使用激光粉末床熔合(L-PBF)打印了AlCoCrFeNi2.1的双相纳米层状高熵合金(HEAs),其表现出约1.3 GPa的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率,超过了其他先进3D打印的金属合金。这种AM EHEA展示了强度和延展性以及几乎各向同性的力学行为的完美组合。高屈服强度源于双相结构的强强化效应,双相结构由由交替的面心立方和体心立方纳米薄片组成;与面心立方纳米片层相比,体心立方纳米层表现出更高的强度和更高的硬化速率。

由于嵌入微尺度共晶团中的双相纳米片层形式的印刷态分级微结构具有较高的加工硬化能力,因此产生了较大的拉伸塑性,具有几乎随机的取向以促进各向同性机械性能。通过三维原子探针,原位中子衍射,晶体塑性有限元模拟等表征手段揭示了高熵合金HEAs的强化和硬化行为机理,对于开发具有优异机械性能的分级、双相和多相纳米结构合金具有广泛的意义。相关研究成果以“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”为题发表在国际学术期刊《Nature》上。

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图文速递

与铸态同类产品相比,AM AlCoCrFeNi2.1 EHEAs具有优异的机械性能。印刷态样品表现出高的0.2%偏移拉伸屈服强度σ0.2=1333±38 MPa,显著高于铸态样品的510±15 MPa。还显示出在高流动应力下的高应变硬化速率,导致约14%的大均匀伸长率和相应的极限抗拉强度σu=1640±38 MPa。拉伸断裂后的样品显示出带有微凹陷的“杯形和锥形”断裂表面,表明韧性断裂。EHEA的层间间距可以通过改变激光加工参数来调整,以调整其机械性能。结果证明了印刷态AlCoCrFeNi2.1纳米片层共晶团的近似各向同性力学行为,其形状和晶体学取向几乎随机,这与热机械处理和定向凝固等其他途径产生的高度排列层状结构的各向异性力学行为不同。

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图1. AM AlCoCrFeNi2.1 EHEA的微观结构

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图2. AM AlCoCrFeNi2.1 EHEA的拉伸性能

印刷态EHEA的高屈服强度(约1.3GPa)主要来自双相纳米层状结构的强强化效应。bcc和fcc纳米片层平均厚度分别为64nm和151nm,及它们的半相干界面,可以对位错滑动施加强烈的相互约束。根据Hall–Petch关系估算,这种纳米层状强化对屈服强度的贡献约为1 GPa。此外,L-PBF的快速凝固在印刷样品中产生先于位错而存在的高密度,从而产生额外的增强效果。研究者使用中子衍射测量确定印刷样品中先存在的位错密度。bcc和fcc纳米片层中的平均位错密度高达ρbcc≈(7.4±1.1)×1014m−2和ρfcc≈(5.4±0.3)×1014m−2,导致屈服强度增加约280MPa。因此,印刷态EHEA的高屈服强度由L-PBF的双相纳米层状结构实现,并由印刷诱导位错的高密度进一步增强。

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图3. 单轴拉伸期间fcc和bcc相的晶格应变和应力分配

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图4. 介观和原子尺度变形结构

结论与展望

总之,研究者利用L-PBF的激光3D打印技术和EHEAs的有利成分效应开发了一类双相纳米层状高熵合金,其表现出高屈服强度和高拉伸延展性的优异组合,超过了其他最先进的3D打印合金。分层双相纳米结构基序通常可应用于其他EHEA系统,以改善其机械性能。对AM-EHEAs强化和硬化行为的机理研究,可应用于开发多种复杂多相层状结构的高性能金属合金的设计,如铝合金和钛合金。

文献

文献链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8

文献原文:

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