哈爾濱工業(yè)大學（威海）宋曉國教授團隊：激光增材制造實現(xiàn)高溫下高強塑性高熵合金

來源：材料學網(wǎng)

近日，由哈爾濱工業(yè)大學威海校區(qū)材料科學與工程學院宋曉國教授領導的研究團隊利用激光增材制造實現(xiàn)了高溫下高強塑性高熵合金的制備。研究成果以“Multiscale plastic deformation in additively manufactured FeCoCrNiMox high-entropy alloys to achieve strength–ductility synergy at elevated temperatures”為題，發(fā)表在力學頂刊《International Journal of Plasticity》上。林丹陽副教授為該論文的第一作者，宋曉國教授為該論文的通訊作者。

相比于傳統(tǒng)合金，性能優(yōu)異的高熵合金（HEAs）材料作為耐高溫高強合金的替換性材料近年來受到航空航天產(chǎn)業(yè)的青睞。但目前激光增材制造最常用的FeCoCrNi高熵合金為單相FCC結構，沉淀強化作用的缺失導致其強度較低，而其衍生的沉淀強化高熵合金在變形過程中強化相與基體之間的協(xié)調變形能力較差，難以實現(xiàn)強度和塑性的良好兼容。在FeCoCrNi高熵合金中添加Mo元素從而改變基體的強塑性，并原位形成σ相可以提高基體強度且與基體形成良好的半共格關系，有效提高高熵合金力學性能。

本研究成功展示了 FCC FeCoCrNiMox HEAs 在室溫和高溫下的加工、微觀結構和機械性能之間的關系。多尺度研究，包括實驗觀察和建模模擬，促進了對摻 Mo HEAs 變形機制的理解。這種理解基于關鍵的微觀結構特征，如堆垛層錯、孿晶、析出相和位錯胞，驗證了使用 LPBF 調控不同強化機制順序激活的可行性。傳統(tǒng)方法如 SEM、TEM 和 EBSD 無法捕捉高溫下的微觀結構和孿晶過程。然而，我們通過第一性原理計算和分子動力學模擬揭示了這一過程。通過結合實驗觀察和模擬，我們徹底分析了 HEA 合金的塑性變形機制。這種方法為新材料的開發(fā)提供了寶貴的見解。本研究為結構 HEAs 在實現(xiàn)協(xié)同高溫機械性能方面提供了寶貴的見解，從而證明了其在科學和工程領域的意義和實用性。

經(jīng)過 LPBF 處理的 FeCoCrNiMox 樣品表現(xiàn)出近乎無缺陷的基體，并具有明顯的位錯胞。隨著 Mo 含量的增加，σ 相析出增加，伴隨著位錯胞壁的銳化。結合第一性原理、分子動力學（MD）模擬和 TEM 觀察，發(fā)現(xiàn) FeCoCrNiMox HEAs 的堆垛層錯能（SFE）隨著 Mo 含量的增加而降低，并在高溫下增加。因此，在室溫下所有樣品更容易發(fā)生孿晶。然而，在 600°C 時，由于 SFE 的增加，僅在 Mo3 樣品中觀察到孿晶。

向 FeCoCrNi 基體中添加 Mo 促進了固溶強化和析出強化。通過利用 LPBF 的多功能性和快速冷卻特性，引入適量的 Mo可以實現(xiàn)精確的微觀結構控制。這導致了多種強化機制的同時或順序調控，包括位錯強化、固溶強化、析出強化、異質變形誘導強化和孿晶。因此，F(xiàn)eCoCrNiMox HEAs（x = 0.3-0.5）在室溫下表現(xiàn)出改進的成形性，并在高溫下表現(xiàn)出增強的強度 - 延展性協(xié)同作用。

近年來，宋曉國教授團隊深耕于增材制造高性能合金材料的開發(fā)、制備、性能評價等方面的研究，并取得了一系列原創(chuàng)性研究成果，為推動增材制造高性能合金的應用做出了重要貢獻。

圖1 FeCoCrNiMox HEA的力學性能

圖2 FeCoCrNiMox HEA的微觀組織表征

圖3 FeCoCrNiMox HEA的室溫變形組織表征

圖4 FeCoCrNiMox HEA的高溫變形組織表征

圖5 FeCoCrNiMox HEA凝固行為熱力學計算

圖6 FeCoCrNiMox HEA層錯能計算

圖7 FeCoCrNiMox HEA分子動力學模擬