激光粉末床熔融制备TiC增强CoCrNi中熵合金空心点阵夹芯结构的宽温域力学性能研究

本研究针对CoCrNi中熵合金(MEA)在高温下力学性能衰减的问题，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术成功制备了TiC增强的CoCrNi-TiC空心金字塔点阵夹芯结构。研究发现5% TiC添加使材料在-196°C至800°C宽温域内压缩强度提升31%-123%，能量吸收提高30%-38%，揭示了弥散强化、沉淀强化等协同机制，为航空航天等极端环境应用提供了新型轻量化材料解决方案。

　　

在航空航天、海洋工程等极端环境应用中，轻量化多孔材料需要同时满足高强度、优异能量吸收和宽温域稳定性。传统泡沫材料因结构无序和制备缺陷导致性能受限，而CoCrNi基中熵合金(Medium Entropy Alloy, MEA)虽在室温及低温展现良好力学性能，却面临高温强度骤降（约400 MPa屈服强度）和硬度不足的瓶颈。如何通过材料-结构协同设计突破这一限制，成为亟待解决的科学问题。

中国某高校研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，创新性地采用激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技术制备了TiC纳米颗粒增强的CoCrNi-TiC空心金字塔点阵夹芯结构。通过-196°C至800°C宽温域压缩实验结合有限元模拟，系统揭示了TiC含量与温度对材料性能的耦合作用机制。

关键技术方法包括：1) 采用35 μm预合金CoCrNi粉末与纳米TiC(平均直径50 nm)的复合粉末体系；2) 通过LPBF工艺参数优化实现空心金字塔点阵的精确成形；3) 使用ABAQUS/Explicit建立考虑温度效应的有限元模型；4) 采用EBSD和TEM解析微观强化机制。

【Material】
研究采用两种TiC添加方式：3 wt%纳米TiC直接混合与5 wt%纳米TiC预合金化。粉末形貌分析显示预合金化处理有效缓解了TiC团聚，为后续LPBF成形奠定基础。

【Numerical modeling】
有限元分析表明，空心金字塔点阵的几何参数（如杆件壁厚、节点半径）对压缩性能具有显著影响。温度升高会导致应力集中区域转移，800°C时塑性变形主要发生在节点连接处。

【Morphological and microstructure characterization】
显微结构分析发现：1) LPBF成形件存在5-10%密度偏差，内表面粗糙度显著高于外表面；2) TiC添加使晶粒尺寸从CoCrNi的15.2 μm细化至5%TiC的8.7 μm；3) TEM观察到纳米级TiC颗粒在晶界和晶内均匀分布，并伴有高密度位错缠结。

【Comparison of performance of competing cellular materials】
与铝合金、钛合金等传统点阵材料相比，5%TiC样品在800°C仍保持58 MPa/g的比强度，远超不锈钢(22 MPa/g)和镍基合金(35 MPa/g)。其能量吸收效率在25°C达85%，较纯CoCrNi提升38%。

【Conclusion】
该研究突破性发现：1) 5%TiC添加通过弥散强化(Dispersion strengthening)、沉淀强化(γ'相形成)、细晶强化和位错强化的四重协同作用，使材料在800°C仍保留47.6%的室温强度；2) 空心点阵设计使比强度较实心结构提升70%；3) 建立的温度-成分-性能关系模型为极端环境材料设计提供理论指导。

这项研究首次实现了MEA基夹芯结构的宽温域性能调控，其提出的"纳米增强-拓扑优化"协同策略为新一代耐高温轻量化材料开发开辟了新途径，在航天器热防护系统、高超音速飞行器缓冲结构等领域具有重要应用前景。