通过激光定向能量沉积（LDE）制备的AlCoCrFeNi共晶高熵合金的微观结构与力学性能（不同能量密度下的研究结果）

《Journal of Materials Research and Technology》：Tailored microstructure and mechanical properties of AlCoCrFeNi 2.1 eutectic high-entropy alloy fabricated by laser-directed energy deposition with different energy densities

激光增材制造AlCoCrFeNi2.1 EHEA合金的AED影响研究。通过调整激光功率和扫描速度控制AED，分析了相对密度（26.03-131.75 J/mm2）、相组成（FCC/BCC比例变化）与力学性能（最高UTS 1191.85 MPa，最大延伸率16.46%）的关联性。发现AED增加导致冷却速率降低（5.51×103→2.81×103 K/s），促进L→FCC→BCC相变，BCC相含量提升（15.4%→31.7%），形成纳米片层结构（618-685 nm），强化机制包括片层细化（Hall-Petch效应）、位错强化（ρ_GND达4.32×1011 m?2）及固溶强化（Al浓度8.6%）。优化AED范围43.48-69.57 J/mm2可实现密度≥99.7%与强度-塑性平衡。

　　高熵合金因其独特的性能和广泛的应用前景，近年来受到了广泛关注。这些合金通常由五种或更多主要元素组成，各元素的摩尔比例介于5%到35%之间。由于高熵效应、慢凝固效应、晶格畸变效应以及“混合效应”等特性，高熵合金展现出高强度、良好的抗腐蚀性、耐辐照性和优异的热稳定性。然而，尽管其组成复杂，高熵合金往往以单一相的固溶体形式存在，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）或六方密堆积（HCP）结构，而不是复杂的金属间化合物。

为了克服单一相高熵合金在强度与延展性之间的权衡，研究者开发了包含FCC和BCC结构的双相高熵合金。其中，AlCoCrFeNi_2.1 作为一种具有独特强度与延展性组合的双相高熵合金，已经引起了学术界和工业界的高度重视。此外，这种合金在高温环境下的结构稳定性，使其适用于燃气轮机的高温部件。同时，其良好的疲劳性能也使其在需要复杂结构的部件，如螺旋桨中具有巨大应用潜力。传统工艺如铸造虽然被广泛用于制造这种合金，但存在诸如缩孔、元素偏析、依赖模具以及难以制造复杂结构等缺点。因此，探索一种能够制造复杂结构的新型技术显得尤为重要。

激光定向能量沉积（L-DED）作为一种新兴的增材制造技术，因其在制造复杂结构方面的潜力而受到关注。该技术利用高能量密度的激光束熔化金属粉末，形成目标零件，不受零件形状的限制。其优势包括成本低、效率高、生产灵活性强以及良好的冶金结合性，使其在复杂结构零件制造方面展现出广阔的应用前景。

在本研究中，通过L-DED技术制造了AlCoCrFeNi_2.1 EHEA，并系统研究了不同面积能量密度（AED）对相对密度、微观结构和机械性能的影响。研究结果表明，随着AED从26.03 J/mm²增加到131.75 J/mm²，相对密度先上升后下降。最优AED范围为43.48-69.57 J/mm²，在此范围内相对密度可达到99.7%以上。这表明，适当的AED可以显著提升材料的致密度。

在微观结构方面，AlCoCrFeNi_2.1 EHEA表现出由FCC和BCC组成的双相层状共晶结构，具有取向生长的特征。Al和Ni元素在固液界面的相互扩散促进了BCC相的形成，而Co、Cr和Fe元素的扩散则促进了FCC相的形成。随着AED的增加，对流传热增强，传导散热减弱，导致冷却速率下降（从5.51×10³ K/s减少到2.81×10³ K/s）。这种冷却速率的变化导致了L→L+FCC→FCC+BCC的更大程度的相变，从而降低了FCC相的含量并增加了BCC相的含量。

机械性能方面，当AED为60.87 J/mm²时，材料的微硬度（358.1 HV_0.5）和抗拉强度（1191.85 MPa）达到最大值，而最大伸长率（16.46%）出现在AED为52.17 J/mm²时。这些结果表明，通过调节AED，可以实现对AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的抗拉强度和延展性的匹配。

在强化机制方面，高屈服强度主要来源于双相纳米层状结构的强化和位错强化。FCC和BCC相之间的半相干相界面作为位错运动的障碍，促进了位错的密集存储，从而提高了材料的强度。此外，由于L-DED过程中快速凝固限制了元素扩散，导致更多的Al保留在FCC相中，进一步增强了固溶强化的效果。FCC相作为CoCrFeNi固溶体，其内部Al元素的引入通过弹性位错-溶质相互作用提升了材料的强度。通过这些机制的协同作用，AlCoCrFeNi_2.1 EHEA在不同AED下展现出优异的综合性能。

研究还发现，AED的变化对相变过程和微观结构有着显著影响。随着AED的增加，冷却时间延长，冷却速率降低，导致相变过程更充分，从而促进了BCC相的形成。同时，较高的AED会促进熔池的对流，增强熔池的流动性，有助于气体逸出，减少气孔的形成，提高材料的致密度。然而，当AED过高时，熔池的不稳定性和坍塌会导致不规则气孔的形成，降低材料的相对密度。

通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析，发现随着AED的增加，FCC和BCC相之间的界面相互作用更加显著，进一步增强了材料的力学性能。此外，位错密度的增加也对材料的强度有重要贡献，特别是在AED为60.87 J/mm²时，位错密度达到峰值，从而提升了材料的屈服强度。

综合来看，本研究揭示了不同AED对AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的微观结构和机械性能的影响机制。这些发现不仅有助于理解L-DED工艺中高熵合金的形成过程，也为不同应用场景下高熵合金的工艺参数选择提供了理论依据。通过优化AED，可以在保证高致密度的同时，实现对材料强度和延展性的精准调控，从而满足不同工程需求。未来，随着对L-DED技术的深入研究和应用，有望进一步拓展高熵合金在高性能结构材料领域的应用范围。