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)的研究團隊聯(lián)合北京動力機械研究所以及南京理工大學(xué)，利用激光增材制造技術(shù)實現(xiàn)了高強塑性高熵合金制備，研究成果以“Fabrication of a strong and ductile FeCoCrNiMo_0.3 high-entropy alloy with a micro-nano precipitate framework via laser powder bed fusion”為題，發(fā)表在復(fù)合材料頂刊《Composites Part B: Engineering》（中科院一區(qū)TOP期刊，IF：13.1）上（原文鏈接為https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823005097）。林丹陽副研究員為該論文的第一作者，宋曉國教授為該論文的通訊作者。

激光增材制造技術(shù)由于一體化成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)周期短、精度高等特點逐漸成為航天發(fā)動機復(fù)雜構(gòu)件快速迭代和制造的主要形式，可使發(fā)動機結(jié)構(gòu)整體減重10%以上，制造周期縮短50%以上，成本降低20~30%。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。但是，現(xiàn)有高熵合金制備方法如真空電弧熔煉往往導(dǎo)致成形件強度塑性的不可兼容，其原因在于：

（1）電弧熔煉熱輸入大，導(dǎo)致了粗大的晶粒和σ相，降低了強化效果；

（2）σ相析出形態(tài)和大小對高熵合金力學(xué)性能至關(guān)重要。但是，較低的Mo含量難以在合金中形成足量σ相，而較高的Mo含量又會導(dǎo)致大尺寸連續(xù)σ相的析出。

因此，針對高熵合金中納米析出相形態(tài)和尺寸的精確控制成為提高HEA整體強塑性的關(guān)鍵。針對上述問題，宋曉國教授團隊提出采用激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)，原位生成與基體具有良好結(jié)合能力的σ相，并依托增材構(gòu)件特有的亞結(jié)構(gòu)邊界形成微納尺度的析出相框架結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明，具有微納尺度框架結(jié)構(gòu)的高熵合金強度及塑性均明顯提高。

該研究還通過熱力學(xué)計算和顯微組織觀察，揭示了σ相的形成機制和以及變形過程中的位錯疏導(dǎo)機制。研究發(fā)現(xiàn)，σ相可以分為兩種，富Cr的σ_A相主要在最終凝固過程中析出，而富Mo的σ_B相在凝固初期析出，這導(dǎo)致了σ_B相在凝固過程中不斷阻礙亞晶長大，并且伴隨基體同步生長，促進了σ相框架的形成。σ相框架的引入提高了變形過程中位錯滑移的阻力，同時框架對基體的固定作用顯著誘導(dǎo)了位錯沿平行于析出相方向進行滑移，避免了亞結(jié)構(gòu)邊界的位錯塞積而引起的局部應(yīng)力集中，進一步提高了高熵合金抵抗不均勻塑性變形的能力。該設(shè)計理念將為同時提高激光增材制造高熵合金的強塑性提供新思路，為金屬材料力學(xué)性能強化機制的進一步完善添磚加瓦。

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1FeCoCrNiMo_0.3 HEA的σ相框架結(jié)構(gòu)

圖2 FeCoCrNi和FeCoCrNiMo_0.3兩種HEAs的非平衡凝固過程

圖3(a, c)FeCoCrNi和(b, d)FeCoCrNiMo_0.3兩種HEA在塑性變形后的位錯分布及變形過程位錯運動示意圖

圖4 兩種HEA的原位DIC結(jié)果

圖5 HEAs的拉伸性能及斷裂方式