Al含量对激光定向能量沉积AlxCoCrFeNi2.1高熵合金微观结构与性能的调控机制研究

为解决高熵合金（HEAs）在增材制造中因Al含量增加导致的裂纹敏感性和力学性能失衡问题，研究人员通过激光定向能量沉积（LDED）技术制备了AlxCoCrFeNi2.1（x=1.0-1.5）合金。研究发现，当x≤1.3时可获得无裂纹样品，且Al1.1合金因球形富Cr体心立方（BCC）纳米相析出表现出最优综合性能（屈服强度1038.6 MPa，延伸率7.3%）。该研究为极端环境用高性能HEAs的成分设计提供了理论依据。

　　

在材料科学领域，高熵合金（HEAs）因其独特的多主元设计和卓越的力学性能成为研究热点。然而，传统铸造方法制备的HEAs存在成分偏析和粗晶问题，而增材制造（AM）技术虽能细化组织，却因高冷却速率易引发裂纹。尤其当引入轻质元素铝（Al）以降低密度时，合金的裂纹敏感性与力学性能的平衡成为难题。为此，国内某研究团队通过激光定向能量沉积（LDED）技术系统研究了Al含量对Al_xCoCrFeNi_2.1合金的影响，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用50-150 μm的球形AlCoCrFeNi_2.1和高纯Al粉，在H13钢基板上通过LDED制备不同Al含量（x=1.0-1.5）的合金。通过宏观形貌观察、EBSD（电子背散射衍射）和TEM（透射电镜）等技术分析了裂纹形成机制与微观结构演变，并测试了力学性能与高温耐磨性。

宏观形貌与裂纹机制
Al1.4和Al1.5合金出现垂直于扫描方向的热裂纹，而x≤1.3的样品无裂纹。EBSD显示裂纹沿晶界扩展，KAM（核平均取向差）分析表明高Al含量导致晶界应变集中，结合凝固区间延长和FCC相减少共同诱发开裂。

微观结构演变
所有合金均呈现FCC+BCC/B2双相结构。随着Al含量增加，BCC/B2相体积分数从Al1.0的24.1%升至Al1.5的41.8%，且Al1.1合金中析出20-50 nm的球形富Cr BCC纳米相，其有序排列显著提升强度。

力学性能与强化机制
Al1.1合金具有最优综合性能：屈服强度1038.6 MPa，抗拉强度1448.1 MPa，延伸率7.3%。理论计算表明固溶强化和析出强化是主要机制。Al含量进一步增加虽提高硬度（Al1.5达HV 453）和高温耐磨性，但塑性下降。

结论与意义
该研究明确了Al含量通过调控BCC/B2相比例和纳米析出行为影响合金性能的规律，为设计抗裂纹、高强度HEAs提供了关键参数。LDED技术结合成分优化可协同提升合金的室温与高温性能，对航空航天等极端环境应用具有重要价值。