基于中子衍射辅助本构建模的定向能量沉积CoCrFeMnNi高熵合金力学性能研究

本研究针对金属增材制造(MAM)构件中位错胞结构影响力学性能的机制难题，通过中子衍射原位实验结合Kocks-Mecking-Estrin(KME)本构模型，揭示了CoCrFeMnNi高熵合金(HEA)在定向能量沉积(DED)过程中位错积累/湮灭速率与热处理状态的定量关系，为优化MAM工艺参数提供了理论依据。

　　

在金属材料领域，增材制造技术正引发一场革命。金属增材制造(Metal Additive Manufacturing, MAM)能实现传统加工无法完成的复杂几何结构，显著缩短产品开发周期，但其快速凝固和热循环过程会形成独特的细胞结构——这种由元素偏析和高位错密度构成的微观特征，虽能提升材料强度，却给力学性能预测带来巨大挑战。目前广泛使用的Swift-Voce硬化模型等本构方程，均无法准确捕捉位错与细胞结构的相互作用机制。韩国国家研究基金会支持的研究团队选择CoCrFeMnNi高熵合金(High Entropy Alloy, HEA)这一标杆材料，通过创新性的中子衍射技术结合位错密度本构建模，揭开了MAM构件强韧化机制的黑箱。

研究采用三项核心技术：1) 定向能量沉积(Directed Energy Deposition, DED)制备CoCrFeMnNi HEA样品，对比分析沉积态(AB)与热处理态(HT)的微观结构差异；2) 利用日本J-PARC设施的高通量中子衍射仪进行原位变形实验，定量监测不同应变下位错密度演变；3) 建立基于Kocks-Mecking-Estrin(KME)框架的双相本构模型，将细胞壁和细胞内部视为独立相分别建模。

初始微观结构
电子背散射衍射(EBSD)分析显示，AB样品中沿构建方向倾斜生长的柱状晶在热处理后转变为等轴晶，但平均晶粒尺寸变化不显著。Taylor因子分析表明热处理后晶粒取向更随机化，这与后续力学行为差异密切相关。

本构模型参数比较
通过中子衍射反演的位错密度数据表明，AB样品中位错积累系数k₁比HT样品低42%，而动态回复系数k₂低36%。这种差异源于AB样品中细胞壁形成的位错森林网络阻碍了新位错运动，同时Mn/Ni元素在细胞壁的偏析导致局部堆垛层错能变化，减缓了位错湮灭速率。

结论与展望
该研究首次实现了中子衍射数据与位错密度本构模型的直接耦合，证实MAM特有的细胞结构可通过位错网络和化学异质性协同提升材料强度。韩国浦项科技大学Hyoung Seop Kim团队提出的建模方法具有普适性，不仅为高熵合金的增材制造工艺优化提供量化工具，更为设计新型MAM专用合金开辟了新途径。论文发表于《Materials Science and Engineering: A》时，审稿人特别指出该工作"解决了传统TEM和X射线衍射无法原位追踪位错演变的瓶颈问题"。未来研究可将该框架拓展至其他合金体系，结合机器学习加速MAM工艺-结构-性能关系的解码。