Nature一下：3D打出強韌的納米片層高熵合金

1. 導讀

增材制造通常會在鋼、鈷或鎳基高溫合金、鋁合金、鈦合金和高熵合金(HEAs)等金屬材料中產生具有高度非均勻晶粒幾何形狀、亞晶粒位錯結構和化學偏析的微結構。共晶高熵合金(EHEAs)是一種非常有前景的多主元合金，它可以形成雙相片層簇的分級微結構，從而為獲得優異的力學性能提供了巨大的潛力。常規的凝固方法生產的片層厚度通常在微米或亞微米范圍內，這限制了EHEAs的強度。相比之下，納米層金屬表現出高強度，但以低延展性為代價。這些材料是通過薄膜沉積或嚴重的塑性變形制備的，通常導致具有強塑性各向異性的高織構納米結構，限制了它們的實際應用。

這不，一項新的研究通過利用激光粉末床熔合(L-PBF)技術的極端打印條件和HEAs的有利成分效應，以嵌入到AlCoCrFeNi_2.1 EHEA共晶簇的雙相納米片層的形式，產生了一種獨特的遠離平衡態的微結構。研究了增材制造的EHEAs合金的強化和硬化行為的機理，并將其應用于高性能金屬合金的設計。

2. 成果掠影

最近，由來自美國麻省大學的陳文教授和佐治亞理工學院的朱廷教授代領的研究團隊，使用L-PBF打印了AlCoCrFeNi2.1的雙相納米層狀高熵合金(HEAs)，該合金表現出了約1.3GPa的高屈服強度和約14%的均勻伸長率，超過了其它最先進的加工方法制造的金屬合金。研究表明：高屈服強度源于由面心和體心立方納米層交疊的雙相結構的強化效應;體心立方納米層比面心立方納米層具有更高的強度和硬化速率。所打印的分級微結構具有較高的加工硬化能力，從而導致了大的拉伸韌性，這種結構以雙相納米層的形式嵌入到微米級共晶簇中，其幾乎隨機的取向促進了各向同性的機械性質。對3D打印方法制備的HEAs變形行為的機理研究對開發具有優異機械性能的分級、雙相和多相納米結構合金具有廣泛的影響。相關成果以“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”發表在Nature期刊上。

3. 核心創新點

將L-PBF激光3D打印技術與EHEAs的有利成分效應相結合，開發出一類具有高屈服強度和高韌性的雙相納米層狀高熵合金

4.?數據概覽

圖1 增材制造的AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的微觀結構；?a、從左至右為打印的散熱風扇、八隅體格子(支柱尺寸約300 μm)、齒輪；b、AlCoCrFeNi_2.1 EHEA打印后的三維重建光學顯微圖，層間邊界、熔池邊界和激光掃描軌跡分別用藍色線、橙色線和紅色箭頭表示。構建方向(BD)是垂直的；c，AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的橫截面EBSD IPF圖，顯示了放大的局部區域，在該區域，相鄰的納米層狀共晶區域呈現出不同的晶體取向；d，納米層狀結構的二次電子顯微圖；e, bcc和fcc納米層的明場TEM圖像(分別用紅點和綠點表示)，插圖顯示了分別傾斜于晶帶軸(B) [11]bcc和[011]fcc的PED圖；f、AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEA中bcc(左)和fcc(右)片層厚度的分布；g, HAADF-STEM圖像顯示bcc片層內的調制納米結構；h、100×78×5 nm3范圍內fcc/bcc界面元素分布的APT圖。bcc片層內的化學波動表現為納米級的富Ni-Al區和富Co-Cr-Fe區 ? 2022 Springer Nature

圖2 AM AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs的拉伸性能；a、AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs打印后和退火后的拉伸應力應變曲線。曲線上標注了屈服強度(σ_0.2)和極限抗拉強度(σ_u)。插圖顯示了拉伸載荷下的狗骨狀樣品的示意圖；b、AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs與高性能增材制造合金強度延展性的對比(σ_0.2 >800 MPa)，包括大塊金屬玻璃復合材料(BMGCs)，鋼，鎳基高溫合金，鈦基合金和HEAs。實心和空心符號分別表示打印時和打印后樣品的性質 ? 2022 Springer Nature

圖3 單向拉伸過程中fcc相和bcc相的晶格應變和應力分配；a，典型fcc({111}、{200}、{220}和{311})和bcc({110}、{211}和{321})晶體平面族晶格應變隨宏觀真應力的沿加載方向的演化。實驗結果和仿真結果分別用符號和實線表示。宏觀屈服強度用紅色虛線表示；b，bcc相和fcc相宏觀應力-應變響應的DP-CPFE模擬結果。c，變形過程中沿加載方向不同拉伸應變(ε)下的中子衍射譜。d, bcc和fcc相中位錯密度對應變的影響，由c的衍射光譜和改進的Williamson Hall方法(補充部分3)導出。誤差條表示標準偏差? 2022 Springer Nature

圖4 細觀和原子尺度變形結構；a-c，虛擬明場PED顯微照片顯示了在拉伸應變約為0% (a)， 5% (b)和15% (c)時，bcc(紅點)和fcc(綠點)納米層位錯亞結構的演化；與傳統的位錯成像相比，PED的優點是消除了大多數動態效應，從而獲得更清晰的位錯對比。D-f，拉伸應變約為0% (d)，5% (e)和15% (f)時變形亞結構的高倍明場TEM顯微圖。5%應變下，fcc納米層中觀察到變形引起的堆垛層錯，用黃色箭頭標出。相界面由黃色虛線表示；g-i, HRTEM顯微圖顯示了在拉伸應變約為0% (g)， 5% (h)和15% (i)時原子水平的bcc和fcc相界面，以及FFT模型(插圖)。J-l, 分別為g-i中黃色方框區域的IFFT顯微圖。IFFT只顯示位錯的刃型分量(黃色虛線圈突出顯示)，但螺釘分量并不容易看到 ? 2022 Springer Nature

5. 成果啟示

基于激光粉末床熔合(L-PBF)技術的極端打印和HEAs的有利成分效應的聯合，實現了高屈服強度和高拉伸韌性的優異組合，這一有趣的新發現為其他共晶高熵合金體系的性能提升提供了一條路徑。當然，豐富多樣的復雜多相層狀結構可能是其中最具科學價值的有益開拓。

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