通过将热处理与超声喷丸相结合，增强选择性激光熔化（CoCrNi）94Al-3Ti-3中等熵合金的机械性能

《Materials Science and Engineering: A》：Strengthening the mechanical properties of selective laser melting (CoCrNi) 94Al 3Ti 3 medium-entropy alloy by combining heat treatment with ultrasonic shot peening

高熵合金选择性激光熔化成型件通过复合后处理工艺（热处理+超声喷丸）优化力学性能，研究显示HT+USP15处理使样品屈服强度达1191 MPa、延伸率21.8%，显微结构演变及变形机制分析表明梯度异构结构与多变形机制协同作用实现强韧化。

　　本文探讨了一种用于选择性激光熔融（SLM）成型部件的复合后处理工艺，即热处理（HT）与超声冲击喷丸（USP）的结合。该研究聚焦于中熵合金（MEA）（CoCrNi）94Al3Ti3材料，旨在提升其机械性能和结构稳定性。研究通过多种表征手段，系统地分析了不同后处理条件下的亚表面微观结构演变、机械性能以及变形机制，为优化增材制造（AM）中熵合金组件的性能提供了新的思路和方法。

在研究中，实验对象是通过SLM技术制造的（CoCrNi）94Al3Ti3中熵合金部件。研究人员对四种处理条件下的样品进行了分析：原始SLM样品、仅进行USP处理（处理时间为5、15和20分钟）、仅进行HT处理以及HT与USP复合处理。通过对这些样品的微观结构、机械性能及变形机制的深入研究，揭示了不同处理方式对材料性能的影响。

从微观结构分析来看，USP处理后的样品（USP15）在亚表面区域出现了大量交叉滑移带和位错缠结。这些结构特征表明，USP处理通过引入塑性变形和压缩残余应力，有效改变了材料的表面特性。而HT与USP复合处理的样品（HT+USP15）则表现出更多的变形孪晶、堆垛层错、洛默-科特雷尔锁（Lomer-Cottrell locks）以及六方密堆积（HCP）相。这些变化显示出热处理与超声冲击喷丸结合后，材料内部发生了更为复杂的结构演变。

在机械性能方面，HT处理显著提高了样品的强度。与原始SLM样品相比，HT处理后的样品在强度方面有明显提升。而HT与USP复合处理则进一步增强了样品的强度，并且在强度与韧性之间取得了良好的平衡。具体而言，HT+USP15样品的屈服强度达到了1191 MPa，抗拉强度为1554 MPa，延伸率为21.8%。这些数据表明，复合处理不仅提升了材料的强度，还改善了其韧性，使得材料在保持高强度的同时具备更好的延展性。

变形机制的分析也显示了处理方式对材料行为的影响。USP15样品的变形机制主要为位错滑移，而HT+USP15样品则表现出堆垛层错和变形孪晶的主导作用。这种变形机制的变化进一步解释了为什么复合处理能够显著提升材料的综合性能。位错滑移通常发生在材料内部的应力集中区域，而堆垛层错和变形孪晶则通过引入更多的晶格畸变和结构变化，提高了材料的强度和韧性。

在对表面强化技术的研究中，发现这些技术（如超声表面滚压（USR）、超声冲击喷丸（USP）和激光冲击喷丸（LSP）等）能够有效改善金属材料的机械性能和表面特性。这些技术通过塑性变形和压缩残余应力的引入，增强了材料的疲劳寿命、微硬度和抗腐蚀能力。例如，Chen等人发现，对通过SLM制造的CoCrNi中熵合金进行USR处理后，形成了深度约为300 μm的梯度纳米结构，并有效闭合了表面孔隙，从而显著提升了样品的疲劳性能。这种性能的提升主要归因于梯度纳米孪晶所引起的异质变形增强。

类似地，Chen等人还对通过定向能量沉积（DED）制造的CoCrNi中熵合金进行了USR处理，发现其强度和延展性均有所提升，同时高周疲劳极限也得到了显著改善。强度的提升主要来自于高密度的内禀位错和变形孪晶，而延展性的增强则与多种变形亚结构的激活有关。此外，Kumar等人对SLM制造的17–4 PH不锈钢进行了LSP处理，发现热处理后，LSP显著增加了位错的积累并细化了变形层的晶粒，从而提升了材料的机械性能。Tong等人则对通过DED制造的CrMnFeCoNi高熵合金进行了LSP处理，发现表面孔隙被有效闭合，拉应力转变为压应力，形成了从表面层的超细晶粒和纳米孪晶到基体中的少量位错线的梯度微观结构。这种结构变化不仅提高了材料的抗拉强度和延展性，还增强了其高温氧化抗性。

上述研究表明，表面强化技术能够显著改善AM制造材料的性能，但目前的研究主要集中在不锈钢等传统材料上，而对中熵合金（MEA）和高熵合金（HEA）的复合处理研究仍较为有限。因此，本文旨在填补这一研究空白，系统地探讨HT与USP复合处理对SLM制造的（CoCrNi）94Al3Ti3中熵合金的影响。通过分析不同处理条件下的微观结构演变，研究人员希望能够揭示复合处理如何影响材料的机械性能，并为未来的AM材料优化提供理论支持。

在实验方法部分，研究使用了预合金化的球形（CoCrNi）94Al3Ti3中熵合金粉末，并在iSLM160设备上进行SLM制造。粉末的粒径范围为15至53 μm，呈现出良好的球形度和元素分布均匀性。SLM的工艺参数根据实验需求进行优化，以确保制造出的样品具有良好的结构和性能。随后，对不同处理条件下的样品进行了系统的表征分析，包括X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）等方法，以评估其微观结构的变化。

XRD分析结果显示，原始SLM样品主要由单相面心立方（FCC）结构组成，而经过HT和USP处理后，样品的相结构未发生明显变化。然而，一些析出相未能被检测到，这可能是因为它们的衍射峰与基体峰重叠，难以区分。EBSD分析进一步揭示了不同处理条件下样品的亚表面微观结构特征。原始SLM样品表现出柱状晶粒和类似的等轴晶结构，而经过处理后的样品则呈现出不同的晶粒形态和排列方式。

从微观结构演变机制的角度来看，HT与USP的复合处理能够促进材料内部的多尺度结构变化。例如，HT处理可能使材料内部的晶粒发生再结晶或晶粒长大，而USP处理则通过引入塑性变形和压缩残余应力，改变材料的表面特性。这种复合处理方式能够同时改善材料的强度和韧性，使其在多种应用场景中具备更高的性能潜力。

此外，研究还发现，不同处理时间对USP效果的影响存在显著差异。例如，USP处理时间为5分钟时，样品的亚表面结构变化较为有限；而处理时间为15分钟时，样品的微观结构发生了更明显的改变，如交叉滑移带和位错缠结的出现。当处理时间延长至20分钟时，这些结构特征进一步增强，表明处理时间对USP效果具有重要影响。然而，HT与USP的复合处理则在这些变化的基础上，引入了更多的变形机制，如变形孪晶和堆垛层错，从而进一步提升了材料的综合性能。

在对机械性能的分析中，研究不仅关注了强度的提升，还特别强调了韧性的重要性。传统的材料强化方法往往会导致材料脆性的增加，而本文的HT+USP处理方式则在保持高强度的同时，提高了材料的延展性。这种强度与韧性的良好结合，使得材料在承受复杂载荷和动态应力时表现出更优异的性能。

为了进一步理解这些性能变化的机制，研究人员还对不同处理条件下的样品进行了详细的变形机制分析。结果显示，USP处理主要通过位错滑移机制改善材料性能，而HT+USP处理则引入了更多复杂的变形机制，如堆垛层错和变形孪晶。这些变形机制的协同作用，使得材料在微观结构上发生了更为显著的变化，从而提升了其整体性能。

综上所述，本文的研究成果表明，HT与USP的复合处理能够有效提升SLM制造的（CoCrNi）94Al3Ti3中熵合金部件的机械性能。通过系统的微观结构分析和性能测试，研究人员不仅揭示了不同处理方式对材料性能的影响，还为未来的AM材料优化提供了理论依据和实验支持。这种复合处理方式有望成为提升中熵合金组件性能的新方法，为增材制造技术的发展和应用开辟新的路径。