陈文/朱廷等Nature：3D打印高熵合金

第一作者：Jie Ren, Yin Zhang

通讯作者：陈文; 朱廷

通讯单位：美国马萨诸塞大学; 美国佐治亚理工学院

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04914-8

01
背景介绍

增材制造(3D打印)技术可逐层生产用于工程应用的网状组件。通过激光粉末床熔合(L-PBF)技术增材制造金属合金涉及大温度梯度和快速冷却，这使得纳米级的微观结构细化，以实现高强度。然而，通过激光增材制造生产的高强度纳米结构合金往往延展性有限。

02
全文速览

1. 本工作利用L-PBF技术，首次报道了通过激光3D打印技术来制备具有高强韧力学性能及各向同性特征的双相纳米片层AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金(EHEAs)，该合金表现出约1.3 Gpa(gigapascal)的高屈服强度和约14%的大均匀延伸率，超过了其他最先进的增材制造金属合金。

2. 本工作表明，高屈服强度源于由交替的面心立方（fcc）和体心立方（bcc）纳米片层组成的双相结构的强强化作用。体心立方纳米薄片比面心立方纳米薄片表现出更高的强度和更高的硬化率。

3. 大的拉伸延展性是由于嵌入在微尺度共晶团中的双相纳米薄片形式的打印分层微观结构的高加工硬化能力而产生的，其具有几乎随机的取向以促进各向同性的机械性能。

4. 本工作对增材制造的HEAs变形行为的机理见解对于开发具有卓越机械性能的分层、双相和多相纳米结构合金具有广泛的意义。

03
图文介绍

图1. AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的微观结构

要点：

1、本工作利用激光粉末床熔合(L-PBF)的极端打印条件和HEA的有利成分效应，在AlCoCrFeNi_2.1 EHEA共晶团中嵌入双相纳米层的形式，产生了独特的远离平衡态的、耗散的、非线性动力学系统微结构(图1)。

2、本工作表明，这种增材制造(AM) EHEA展示了强度和延展性以及几乎各向同性的机械性能的完美结合。

3、此外，本工作还打印了各种具有代表性的工程组件，包括散热器风扇、八角桁架微晶格和齿轮(图1a)，这证明了该EHEA对于各种复杂几何形状的出色可打印性。

4、在打印的AlCoCrFeNi_2.1EHEA中实现了分层微观结构，其具有双相纳米层状共晶团(图1b-d)。这些共晶团呈细长形状，沿长轴和短轴的典型尺寸分别为20-30 μm和2-6 μm(图1c)。

图2. AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的拉伸性能

要点：

1、与铸态对应物相比，AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA具有出色的机械性能。打印样品表现出高0.2%的偏移拉伸屈服强度σ_0.2=1,333±38 MPa，大大高于铸态样品的 510±15 MPa(图2a)。

2、本工作的EHEA的层间间距可以通过改变激光加工参数来调整它们的机械性能，如样品B所示(图2b)。对于给定的激光加工方案，沿垂直和水平方向测量了相似的机械性能。

3、结果表明，打印的AlCoCrFeNi_2.1纳米片层共晶团在形状和晶体学上近乎随机取向的近各向同性力学行为，这与热机械处理和定向凝固等其他途径产生的高度取向片层组织的各向异性力学行为不同。

4、此外，随后的热处理使本工作能够进一步定制微观结构和相关的机械性能(图2b)。例如，在800℃热退火1 h后，达到20%以上的均匀伸长率，屈服强度约为1 GPa；在600°C退火5 h后，屈服强度和极限抗拉强度分别提高到约1.6 GPa和1.9 GPa，均匀伸长率为7.5%。显然，本工作的AM EHEA表现出卓越的强度-延展性组合，超过了最先进的AM合金。

图3. 单轴拉伸过程中fcc和bcc相的晶格应变和应力分布

要点：

1、本工作打印的EHEA的高屈服强度(约1.3 GPa)主要源于双相纳米层状结构的强强化作用。平均厚度分别为64 nm和151 nm的交替的bcc和fcc纳米薄片，连同它们的半相干界面，可以对位错滑移施加强相互限制。

2、本工作使用中子衍射来确定打印样品中预先存在的位错密度(图3)。bcc和fcc纳米片的平均位错密度分别高达(ρ_bcc)(7.4±1.1)×10¹⁴ m^-2和(ρ_fcc)(5.4±0.3)×10¹⁴ m^-2，从而使屈服强度估计增加约280 MPa。

3、因此，本工作打印后的EHEA的高屈服强度是由L-PBF的双相纳米层状结构实现的，并通过高密度的打印引起的位错进一步增强。

4、值得注意的是，bcc纳米薄片比fcc纳米薄片对整体高应变硬化响应的贡献更大，从而促进了本工作EHEA的高拉伸延展性。因此，AM EHEA使bcc纳米薄片在共晶团中具有高应变硬化行为，这在传统bcc纳米结构中难以实现。

图4. 介观和原子尺度变形结构

要点：

1、利用PED表征了不同拉伸应变下的位错演化(图4a-c)。在打印状态下，bcc和fcc纳米层均观察到高密度预先存在的位错，ρ_bcc≈(7.4±1.1)×10¹⁴ m^-2和ρ_fcc≈(5.4±0.3)×10¹⁴ m^-2(图4a)。

2、高密度打印引起的位错在增材制造金属中很常见，并且可能源于打印过程中产生的大热应力。随着应变增加到5%，在bcc中观察到比fcc纳米片更广泛的位错倍增(图4b)，与中子衍射测量结果一致(图3d)。

3、位错倾向于聚集在片层界面处，由高度缺陷的fcc/bcc界面(图4b, e)产生的应变对比可以证明。这种观察表明，片层界面对位错起阻碍和沉淀作用。

4、在约15%的应变下，bcc和fcc纳米薄片都含有大量位错(图4c, f）。此外，纳米分辨率的反极图(IPF)映射证实了变形过程中两相之间持久的Kurdjumov-Sachs取向关系，这通常有利于跨半相干相界面的滑移传输。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8

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