Mater Sci Eng A：利用平面滑移和层错的协同作用实现3D打印高熵合金的高强度和延展性

第一作者：刘丽雪 通讯作者：潘杰，柳林

Abstract：

3D printing is increasingly becoming prevalent for the fabrication of high entropy alloys (HEAs) due to the unrivaled design freedom and net-formability. However, most 3D-printed HEAs suffer from poor printability and printing defects, displaying unsatisfactory mechanical properties for structural applications. This work reveals the near-fully dense (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇ HEA with complex geometry and superior mechanical properties prepared by selective laser melting (SLM). During the SLM process, the rapid solidification rate induces a hierarchical structure consisting of columnar grains, cellular substructure, and L2₁-phase nanoprecipitates along cellular boundaries. This SLMed (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇ HEA displays excellent mechanical properties with an ultimate tensile strength of 1090 MPa and a tensile elongation of ∼30%. The microstructure analysis reveals that the cooperative planar dislocation slipping and stacking faults contribute to the stable strain hardening ability and sustained deformation of (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇ HEA.

文章导读：

    高熵合金 (HEAs) 是一种新兴的金属材料类别，由等摩尔比或接近等摩尔比的多种元素组成，由于具有优异的机械性能，其作为结构材料受到越来越广泛的关注。然而由于成分的复杂性，高熵合金具有高熔点、高粘度和流动性差的特点，这使得通过传统铸造方法制备具有大尺寸或复杂几何形状的高熵合金组件具有挑战性。此外，复杂的后处理步骤，例如去除铸造缺陷所需的冷轧和热处理，使得高熵合金的制造成本高昂。

激光选区熔化(SLM) 作为一种先进的三维 (3D) 打印技术，已普遍用于高熵合金的制备。与传统的铸造方法相比，SLM在一次成形大型复杂几何构件方面具有显著优势。同时，SLM 工艺的高冷却速率（10⁴–10⁶ K/s）有利于形成细化的组织结构，并因此提高构件的机械性能。然而大多数 3D 打印高熵合金的机械性能仍不能满足结构应用，另一方面，3D 打印高熵合金存在成型性差的问题，调整工艺参数无法消除热裂纹和提高致密度。因此，寻找适用于3D 打印的高熵合金体系并获得优异的力学性能仍然极具挑战性。

最近，华中科技大学非晶态材料研究实验室柳林课题组基于3D打印一次成形的设计理念，通过优化SLM成形(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金过程的激光功率、扫描速度和扫描策略，制备得到具有复杂几何形状和优异力学性能的(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金。由于SLM快速凝固过程，SLM (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金显示出由柱状晶粒、胞状亚结构和胞状结构边界的L2₁纳米析出相组成的层次结构。SLM (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金具有出色的力学性能，抗拉强度为 1090MPa，拉伸伸长率约为 30%。显微组织分析表明，平面位错滑移和堆垛层错的协同作用有助于(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金的稳定应变硬化能力和持续变形过程。

SLM (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金力学性能曲线。(a) SLM (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金在两个加载方向测试的工程应力-应变曲线。 (b) 3D打印高熵合金性能对比。

拉伸试验后SLM (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金的拉伸诱导微观结构演变。 (a) 位错平面滑移HADDF图。 (b)胞状结构内部位错滑移的TEM明场像。 (c) 胞壁和L2₁析出相共同阻碍位错滑移。 (d) 变形过程中多个堆垛层错 (SFs) 的激活。

    相关工作近期发表在期刊Materials Science & Engineering A上，研究得到了国家自然科学基金（No. 52061160483，52061160和52022100）的资助。