哈爾濱工業(yè)大學(xué)（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(xué)網(wǎng)

近日，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院宋曉國教授領(lǐng)導(dǎo)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(xué)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(jié)構(gòu)，沉淀強化作用的缺失導(dǎo)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(diào)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(guān)系，有效提高高熵合金力學(xué)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(jié)構(gòu)和機械性能之間的關(guān)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(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)特征，如堆垛層錯、孿晶、析出相和位錯胞，驗證了使用 LPBF 調(diào)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(jié)構(gòu)和孿晶過程。然而，我們通過第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬揭示了這一過程。通過結(jié)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(jié)構(gòu) 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(xué)和工程領(lǐng)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(jié)合第一性原理、分子動力學(xué)（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(jié)構(gòu)控制。這導(dǎo)致了多種強化機制的同時或順序調(diào)控，包括位錯強化、固溶強化、析出強化、異質(zhì)變形誘導(dǎo)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(yīng)用做出了重要貢獻。

圖1 FeCoCrNiMox HEA的力學(xué)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(xué)計算

圖6 FeCoCrNiMox HEA層錯能計算

圖7 FeCoCrNiMox HEA分子動力學(xué)模擬