纳米TiC增强FeCoCrNiMn高熵合金复合材料的激光选区熔化成形及其强塑性协同机制研究

本研究针对FeCoCrNiMn高熵合金(HEA)强度不足的问题，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备纳米TiC增强的高熵合金复合材料(HEACs)。研究发现2.5 wt.% TiC的添加使材料屈服强度提升42.6%至728 MPa，同时延伸率提高12.7%达23.1%，实现了强度-塑性的协同优化。该工作为开发高性能金属基复合材料提供了新思路。

　　

在材料科学领域，高熵合金(High-Entropy Alloys, HEAs)因其独特的多主元设计展现出卓越的性能，如优异的低温韧性、耐腐蚀性和抗辐照性。其中FeCoCrNiMn体系（又称Cantor合金）因其突出的延展性成为研究热点，但其铸造态屈服强度通常不足300 MPa，严重制约了工程应用。传统强化方法如陶瓷颗粒增强虽能提高强度，但往往以牺牲塑性为代价。如何突破金属材料"强度-塑性倒置"的瓶颈，成为当前研究的核心挑战。

华中科技大学的研究团队创新性地将纳米TiC颗粒与激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技术相结合，制备出具有优异强塑性匹配的TiC/FeCoCrNiMn复合材料。该成果发表在《Vacuum》期刊，揭示了纳米颗粒增强高熵合金的多尺度协同强化机制。

研究采用LPBF技术制备含2.5-7.5 wt.%纳米TiC的HEACs，通过X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)等技术表征微观结构，结合拉伸测试分析力学性能。计算模型量化了晶界强化(σ_gb
)、位错强化(σ_dis
)和弥散强化(σ_D
)的贡献。

微观结构
XRD证实HEACs保持面心立方(FCC)结构，TiC峰强度随含量增加而增强。EBSD显示纳米TiC主要分布于胞状晶界，使柱状晶尺寸从31 μm细化至10.6-19.8 μm。透射电镜(TEM)观察到高密度位错缠结和堆垛层错，这是塑性提升的关键。

力学性能
含2.5 wt.% TiC的HEAC展现出最优综合性能：屈服强度728 MPa（提升42.6%），延伸率23.1%（提升12.7%）。强度提升主要源于Hall-Petch效应（晶粒细化贡献~207 MPa）、位错强化（~198 MPa）和Orowan机制（弥散强化~136 MPa）。

变形机制
断口分析揭示：基体HEA通过位错滑移主导变形；而HEACs中纳米TiC促进位错增殖，同时激活堆垛层错，实现应变硬化能力与塑性变形的平衡。Kernel平均 misorientation(KAM)图显示HEACs具有更高的局部应变梯度，证实其优异的加工硬化能力。

结论与意义
该研究建立了"纳米颗粒-微观结构-力学性能"的构效关系，阐明：1）LPBF工艺可实现99.35%高致密度HEACs；2）纳米TiC的晶界偏聚效应显著细化微观组织；3）多尺度协同强化机制（晶界+位错+弥散）突破传统强化方法的局限性。这项工作为航空航天等领域的高性能部件设计提供了新材料解决方案，同时为金属基复合材料的强韧化设计提供了理论指导。