導讀：激光粉末床熔化( LPBF )制備的Co Cr Mo ( CCM )合金通常具有較低的延展性。在本研究中，針對LPBF制備的CCM合金，提出了一種新的殘余應力定制的高堆垛層錯( SF )塑性變形模式，在制備態下具有優異的延展性(~14.5 % )。精細的微觀結構表征表明，較低的初始殘余應力導致了較高的層錯概率，產生了大量的SFs來維持塑性變形。這種大變形斷裂活動緩解了高殘余應力水平CCM合金FCC / HCP相之間的應變局部化。進一步的低溫退火處理驗證了上述理論，并將延展性提高到了21.4 %，抗拉強度達到了1181 MPa。本研究表明，通過調節LPBF制備CCM合金的內部殘余應力和堆垛層錯，可以顯著提高合金的延展性。

CoCrMo ( CCM )合金通常由面心立方( FCC )和密排六方( HCP )雙相結構組成，具有良好的生物相容性和優異的高溫力學性能，已被成功用作骨科植入物和航空航天發動機部件。激光粉末床熔覆( LPBF )技術作為目前主流的增材制造( AM )技術之一，能夠以最小的工裝成本和材料損耗生產復雜幾何形狀的金屬零件。先前的研究表明，與傳統制備的CCM合金相比，LPBF制備的CCM合金具有更高的屈服強度。其強化機制歸因于獨特的微觀結構，包括高密度的晶格缺陷、HCP相結構和生成的析出相。然而，HCP相的存在同時導致了微裂紋的形核和擴展，這是由于FCC / HCP相界面的高應變局域化傾向，最終導致了LPBF制備CCM合金的過早失效。盡管人們一直致力于通過采用新的掃描策略、調整化學成分和進行后期熱處理等方法來調控FCC / HCP相結構，但迄今為止，人們仍在不斷探索如何打破低壓鑄造CCM合金的強度和塑性困境。

在本研究中，我們報道了一種新的策略來有效地提高LPBF制備CCM合金的延展性而不降低其屈服強度。通過調節施加的激光工藝參數，低殘余應力水平的LPBF制備的CCM合金在高殘余應力狀態下表現出廣泛的晶格錯動以維持大的塑性變形，而不是大量的位錯增殖和積累，從而導致嚴重的應力集中和過早的失效。后熱處理研究驗證了上述發現，并進一步將延展性延長至20 %以上，抗拉強度高達1181 MPa。本研究有望為未來LPBF制備高性能CCM合金的激光工藝參數開發和相關的熱處理工藝優化提供參考。

蘇州大學機電工程學院的賈慶波教授團隊對此進行了研究，相關研究成果以題為“Ductility enhancement of additively manufactured CoCrMo alloy via residual stress tailored high stacking fault probability”發表在期刊Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223003494

圖1 . LPBF制備的LED ( a-e )和HED ( f-j )樣品的微觀結構表征。( a ) ( f ) IPF著色圖，( b ) ( g )相分布圖，( c ) ( h )插入取向差角分布的KAM圖，( d ) ( i ) SFs的TEM照片，( e ) ( j )納米析出相的STEM照片。

圖2 . LPBF制備的LED和HED樣品的拉伸性能。( a )插入式拉伸試樣的工程應力-應變曲線示意圖，( b )插入式真應力-應變曲線對應的應變硬化率曲線，( c )屈服強度-拉伸伸長率和( d )極限抗拉強度-拉伸伸長率圖，以便與文獻數據進行比較。

圖3 . LPBF制備的LED和HED樣品的拉伸變形行為表征。( a )斷裂LED樣品的晶格缺陷的BF TEM照片，( b )放大圖( a )，( c )對應的選區電子衍射( SAED )花樣，( d-f )不同拉伸應變下HED樣品中SFs的演變，( g )和( h )分別是( b ) HED樣品在6 %應變后的HRTEM照片，( i ) HED樣品在14.5 %應變后的放大圖( f )。不同應變水平下LPBF制備的HED和LED樣品的( j ) HCP相含量、( k )位錯密度和( l ) SF概率和平均SF距離演化的XRD分析。

圖4 .研究了LED和HED樣品在熱處理過程中的殘余應力和拉伸性能演變。橢圓擬合曲線顯示了( a ) LED和( b ) HED樣品在不同熱處理后的殘余應力變化，( c ) LPBF制備的LED和HED樣品在不同熱處理條件下的工程應力-應變曲線和( d )屈服強度值。

綜上所述，高殘余應力引起的晶格畸變對LPBF制備CCM合金的變形模式選擇和力學性能具有重要影響。通過降低LPBF制備CCM合金的本征殘余應力，成功激活了SF介導的變形機制。由此產生的較低的初始晶格應變導致了較高的SF概率，有效地維持了塑性變形，并通過大量變形SF的擴散和傳播來延緩斷裂。后消應力處理研究驗證了上述觀察，并進一步將合金的延展性提高到了21.4 %，抗拉強度提高到了1181 MPa。本研究采用的內部殘余應力調控策略為提升工藝參數，更重要的是為LPBF制備高性能CCM合金的后熱處理開發提供了新的思路。由于經歷不同的熱循環和積累不同的殘余應力，試樣的成形方向是否能對合金的延展性產生類似的影響值得懷疑，然而，相關的微觀組織(如晶粒結構)的不均勻性也會影響LPBFed CCM合金的力學性能。這超出了目前的研究范圍，將在未來進行研究。