揭示基于激光粉末床熔融技术制备的CoCrFeMnNi高熵合金的缺陷-结构-性能关系

《Materials Science and Engineering: A》：Revealing defect-structure-performance relationship of CoCrFeMnNi high-entropy alloy manufactured by laser-based powder bed fusion

氧含量对FGH96超合金变形机制及断裂模式的影响：通过原位拉伸结合EBSD和TEM分析，发现低氧（140ppm）下MC碳化物均匀分布，促进位错胞形成和滑移-孪生协同作用，实现高强度与高塑性的平衡；高氧（340ppm）时MC形成链状沿晶界分布，导致位错严重堆积和分解，抑制滑移与孪生，引发晶界断裂，显著降低塑性。

　　本研究围绕FGH96高温合金在不同氧含量下的变形机制转变进行了系统分析。FGH96是一种第二代粉末冶金（PM）耐热合金，以其均匀的微观结构、细化的晶粒以及较低的宏观偏析而著称，这些特性赋予其在650摄氏度复杂热机械载荷环境下表现出优异的高温疲劳/蠕变抗性、相稳定性以及抗腐蚀/氧化能力。然而，在PM制造过程中，氧气污染是一个亟需解决的关键问题。通常，约30%的原子化粗粉因非金属杂质含量过高而无法用于近净成形，特别是氧气含量超过200ppm的粉末，易导致晶界脆相析出和氧化物夹杂形成，严重限制了其可回收性。因此，深入研究氧气引起的性能退化机制，对实现低成本的涡轮盘制造具有重要意义。

研究通过原位拉伸测试结合电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析，揭示了氧气如何影响FGH96合金的变形机制。结果表明，氧气含量的变化会显著改变合金的微观结构和变形行为。在氧气含量为140ppm的合金中，MC型碳化物呈现出均匀分布，这种分布促进了通过Orowan机制形成的均匀位错胞结构，有效提升了合金强度。与此同时，大量的变形孪晶和穿过晶粒的断裂行为，由协调的位错滑移进入晶粒内部和γ′析出物的剪切共同促成，显著增强了应变硬化和晶内塑性，从而实现强度与延展性的协同提升。然而，随着氧气含量的增加，氧化物作为异质成核位点，促进了MC碳化物在细晶粒的先存粒子边界（PPB）区域沿晶界形成不连续的链状析出，进一步细化了这些区域的晶粒。在拉伸变形过程中，这些MC碳化物通过Orowan机制诱导形成连续的位错胞结构，导致严重的位错堆积。位错的累积显著增加了系统的能量，促使位错分解以降低能量状态。同时，堆积也阻碍了a/6<11–2>部分位错在{111}面上的滑移，使得位错滑移在形成堆垛层错阶段时停止，从而中断了孪晶的形成过程。这些机制共同作用，改变了合金的变形机制，使其从滑移和孪晶转向部分位错和堆垛层错，最终导致断裂模式从穿晶断裂转向沿晶断裂。

在实验方法上，研究首先对原始粉末进行氧化处理，将其氧含量从140ppm提升至340ppm，随后通过高温等静压（HIP）制备出具有不同氧含量的合金试样。接着，采用原位拉伸测试设备，对试样在650摄氏度下进行拉伸试验，同时利用场发射扫描电镜（FE-SEM）和EBSD对试样的微观结构进行表征。为了更深入地理解变形机制，还通过TEM对断裂区域进行了分析。在测试过程中，样品被加热至650摄氏度并保持1小时，之后以0.1微米/秒的速率加载，并在每100微米进行一次图像采集，以便捕捉变形过程中的动态变化。

实验结果表明，氧含量的增加显著影响了合金的拉伸性能。对于氧含量为140ppm的合金，其屈服强度为782.2兆帕，抗拉强度为1231.8兆帕，断裂伸长率为40.5%。而氧含量为340ppm的合金，屈服强度下降至748.2兆帕，抗拉强度降至1175.6兆帕，断裂伸长率则骤降至24.76%，导致延展性损失高达38.9%。这些变化表明，虽然氧含量的增加对强度的影响相对较小，但对延展性的影响却极为显著。进一步的分析显示，氧含量的变化不仅影响了合金的微观结构，还通过改变碳化物的分布和晶界特性，对变形机制产生了深远影响。

在微观结构方面，氧含量为140ppm的合金中，MC碳化物呈现出较低的密度和分散分布，而氧含量为340ppm的合金中，MC碳化物密度显著增加，形成不连续的链状结构，沿细晶粒的PPB区域分布。这种分布不仅促进了晶粒细化，还导致了位错在PPB区域的显著堆积。堆积的位错不仅增加了系统的能量，还促进了位错的分解，从而降低能量状态。然而，这种堆积也阻碍了部分位错在{111}面上的滑移，使得位错滑移在形成堆垛层错阶段时停止，中断了孪晶的形成过程。此外，氧含量的增加导致了Al?O?粒子的形成，这些粒子从基体中消耗了铝元素，从而降低了合金的堆垛层错能（SFE）。这一变化进一步加剧了堆垛层错的形成，导致Σ3孪晶边界比例大幅下降。

从变形机制的角度来看，氧含量为140ppm的合金主要表现出位错滑移和变形孪晶的协同作用，而氧含量为340ppm的合金则主要表现出部分位错和堆垛层错的主导作用。这种转变是由于MC碳化物的链状分布和高晶界密度共同作用，导致位错在PPB区域的堆积，进而引起严重的非均匀变形。在140ppm合金中，位错主要通过Orowan机制在MC碳化物周围形成分散的位错胞结构，这种结构需要额外的应力才能绕过，从而显著提升了合金的强度。而在340ppm合金中，MC碳化物的高密度和短间距导致位错胞结构的合并，形成连续的位错胞结构，这种结构促进了严重的应变局部化，最终导致断裂模式从穿晶断裂转向沿晶断裂。

研究还通过EBSD和TEM分析揭示了不同氧含量合金的位错行为。在140ppm合金中，位错分布较为均匀，而340ppm合金中，位错主要集中在PPB区域。位错密度的显著增加表明，氧气含量的提高导致了更复杂的位错相互作用，这可能与碳化物的异质成核作用和晶界细化有关。同时，Σ3孪晶边界的比例也随氧含量的增加而显著下降，这可能与位错与孪晶的相互作用有关。这些变化进一步支持了氧气对合金性能的双重影响：一方面，通过促进碳化物析出和晶界细化增强了强度；另一方面，通过减少延展性和促进沿晶断裂降低了合金的整体性能。

研究的结论指出，氧气含量的变化对FGH96合金的微观结构和变形机制有显著影响。在低氧含量情况下，MC碳化物的均匀分布和较低密度促进了位错胞结构的形成，从而提升了合金的强度和延展性。然而，随着氧含量的增加，MC碳化物的不连续链状分布和高晶界密度导致了位错的显著堆积，进而引发严重的非均匀变形和沿晶断裂。这种机制的转变是由于位错的分解和堆垛层错的形成，使得合金的变形机制从滑移和孪晶转向部分位错和堆垛层错。因此，氧气含量的控制对于优化FGH96合金的性能至关重要。

综上所述，本研究通过系统分析不同氧含量下FGH96合金的微观结构和变形机制，揭示了氧气在合金性能调控中的关键作用。研究结果不仅有助于理解氧气对合金性能的影响机制，还为优化粉末冶金工艺提供了理论依据。未来的研究可以进一步探讨不同氧含量对合金在复杂热机械载荷下的性能变化，以及如何通过调控碳化物分布和晶界特性来改善合金的综合性能。