AlCoCrFeNi合金的快速凝固微观结构演变行为 2.1 通过激光粉末床熔融技术制备的共晶高熵合金

《Journal of Materials Science & Technology》：Rapid solidification microstructure evolution behavior of AlCoCrFeNi 2.1 eutectic high-entropy alloys fabricated by laser powder-bed fusion

AlCoCrFeNi2.1高熵合金通过激光粉末床熔融制备，研究其快速凝固下微观结构演变规律，建立温度场模型揭示热梯度与凝固速率关系，发现扫描速度增加（550-1500 mm/s）显著促进柱状晶向等轴晶转变（CET），实验与模拟结果验证了工艺参数与组织结构的关联性。

　　本研究聚焦于通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制造的AlCoCrFeNi?.?等轴晶高熵合金（EHEA）的凝固微结构演变。通过实验分析和有限元建模（FEM）模拟相结合的方法，研究人员探讨了该合金在不同工艺参数下的凝固行为，并建立了工艺参数与微结构发展的关联性。这些研究成果为优化LPBF处理后的EHEA微结构和提升其力学性能提供了基础性的见解。

EHEA作为一种新兴的结构材料，结合了高熵合金和共晶合金的特性，近年来受到了广泛关注。这类材料的一个引人注目的现象是，其异质双相结构以及半相干界面能够带来出色的强度-延展性协同效应，显示出在材料结构工程方面的巨大潜力。通常，通过严重的塑性变形和热处理，可以生产出具有卓越性能的EHEA部件，其关键在于调控分层超细结构。然而，控制微结构的均匀性，特别是由强织构引起的各向异性，仍然是工程应用发展的一个限制因素。

在材料制造领域，增材制造（AM）技术，也被称为3D打印，因其能够生产复杂、接近净成形的部件而备受青睐。金属AM不仅提供了在部件成形方面的极大自由度，还能够通过其聚焦的激光束、局部熔化、快速凝固和冷却以及重复的热循环，实现对微结构和力学性能的工程化调控。LPBF作为一种常见的AM技术，已被用于制造多种合金，包括不锈钢、钛合金和高温合金。更为重要的是，大量计算和实验研究致力于建立工艺条件与微结构之间的直接关系，这对于实现材料的预期性能至关重要。

近年来，将LPBF引入EHEA的制造中，为该领域带来了新的活力。这种工艺所伴随的大温度梯度和快速冷却速率，能够产生显著细化的微结构，并且实现优异的强度和延展性组合。此外，逐层熔化策略使得复杂几何形状的工程部件的成功制造成为可能，展示了其广阔的应用前景。然而，如前所述，由于LPBF工艺本身参数空间较大，实现通过参数优化获得可控的凝固微结构一直是该领域持续的研究重点。

在熔池中生成的微结构通常会演变成柱状或等轴晶，这取决于凝固参数。在高温度梯度和定向热提取条件下，柱状晶倾向于沿着制造方向排列，继承下层的晶体取向。随着熔池凝固，当固液界面前方产生足够的过冷时，等轴晶会异质形核，抑制柱状晶的生长并触发柱状晶到等轴晶的转变（CET）。通常，具有强织构的柱状晶结构能够提供优异的蠕变阻力，并实现各向异性的力学和功能特性。相比之下，均匀的等轴晶结构则更适用于增强疲劳寿命和降低裂纹敏感性，尤其是在基于激光的制造过程中。

因此，实现AM制造材料的优化性能，需要对结构形态进行精确控制，而这又根本依赖于对工艺参数与结构特性的关系的深入理解。尽管对于传统金属材料，这类关系已经被广泛建立，但将CET理论扩展到新型合金系统，特别是在AM领域，仍然是实现微结构调控的关键步骤。此外，对于EHEA而言，其共晶结构和晶粒（共晶团）的特性同样与性能有着密切的关联性。然而，目前对于这些结构在不同工艺参数下演变机制的理解仍然不够充分，需要系统性的探索。同时，通过LPBF实现对EHEA中所需凝固微结构的控制，其可行性尚未得到充分验证，这不仅是一个实际的挑战，也代表了一个有前景的研究方向。

本研究中的AlCoCrFeNi?.? EHEA样品尺寸为10 mm（宽度）×10 mm（长度）×10 mm（高度），使用LPBF设备（AFS-M120，北京隆源AFS公司）进行制造。该设备配备了最大功率为500 W、波长为1064 nm、光斑尺寸为75 μm的钇铝石榴石连续单模光纤激光器。使用的原材料为北京隆源AFS公司提供的商用气体雾化AlCoCrFeNi?.?球形粉末。通过实验分析和FEM模拟相结合的方法，研究人员系统地研究了不同工艺参数下熔池中的微结构特征，包括晶粒结构和层状共晶的演变规律。

研究发现，通过调整扫描速度，共晶团的形态可以从拉长型转变为等轴型，而层状共晶的结构则基本保持不变。实验数据与模拟结果的结合，使得研究人员能够建立一个凝固图，以描述熔池中的CET行为。实验结果表明，当扫描速度从550 mm/s增加到1500 mm/s时，CET趋势变得更加明显，这归因于温度梯度的降低以及温度梯度与凝固速率之比的减小。实验与模拟结果的良好匹配验证了凝固图的可靠性。通过本研究，研究人员有效地获得了工艺参数、凝固条件与凝固结构之间的关系。

此外，研究人员还发现，共晶结构的演变与工艺参数密切相关。在不同的扫描速度下，共晶团的形态和尺寸呈现出显著的变化。当扫描速度较慢时，熔池中的温度梯度较高，共晶团的生长受到限制，形成较为规则的拉长型结构。随着扫描速度的增加，温度梯度逐渐降低，共晶团的生长方向发生变化，形成等轴型结构。这种转变不仅影响了材料的微观组织，还对其宏观性能产生了重要影响。例如，等轴晶结构通常能够提高材料的疲劳寿命，降低裂纹敏感性，而拉长型结构则可能增强材料的强度和硬度。

在实验分析中，研究人员使用了多种先进的表征技术，包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD），以全面了解熔池中的微结构特征。通过这些技术，研究人员能够观察到共晶团的形成过程、层状结构的分布以及晶粒的取向变化。这些实验数据不仅为研究提供了直观的证据，还为后续的模拟分析奠定了基础。

在FEM模拟中，研究人员构建了一个简化的温度场模型，以捕捉熔池中温度梯度和凝固速率在液固界面的时空变化。该模型能够有效地预测不同工艺参数下熔池的热行为，从而为理解微结构演变提供了理论支持。通过结合实验数据和模拟结果，研究人员能够更准确地描述CET行为，并进一步优化工艺参数以获得所需的微结构。

本研究的成果表明，通过调整扫描速度，可以有效地控制AlCoCrFeNi?.? EHEA的凝固行为，从而实现对材料性能的优化。此外，研究人员还发现，共晶结构的演变与工艺参数之间存在复杂的相互作用。在不同的扫描速度下，共晶团的形态和尺寸呈现出显著的变化，而层状结构则相对稳定。这种现象表明，工艺参数不仅影响了晶粒的形态，还对共晶结构的形成和演变产生了重要影响。

综上所述，本研究通过实验分析和FEM模拟相结合的方法，深入探讨了AlCoCrFeNi?.? EHEA在LPBF工艺下的凝固行为和微结构演变规律。研究结果表明，扫描速度的调整对CET行为具有显著影响，而温度梯度和凝固速率的变化则是影响CET趋势的关键因素。通过本研究，研究人员不仅建立了工艺参数与微结构发展的关联性，还为实现对EHEA微结构的精确控制提供了理论依据和技术支持。这些成果对于推动EHEA在工程领域的应用具有重要意义，并为未来的材料设计和制造提供了新的思路和方法。