激光粉末床熔融制备Cu/Mo添加Fe2Ni2CrMn高熵合金中元素分布的调控机制与裂纹行为研究

本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)制备非等摩尔面心立方(FCC)结构(Fe2Ni2CrMn)99.00+(Mo33Cu77)10.0高熵合金(HEA)存在的元素偏析和开裂问题，通过调控体积能量密度(VED)参数，揭示了Mn/Cu在晶界和熔池边界的差异化偏析规律，阐明了凝固收缩应力主导的裂纹形成机制，为高熵合金增材制造工艺优化提供理论依据。

　　

在材料科学领域，高熵合金(High Entropy Alloys, HEA)因其独特的多主元设计和优异的力学性能成为研究热点。然而，传统制备方法难以实现复杂构件的精密成型，而激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)等增材制造技术虽能突破几何限制，却面临元素偏析和热裂纹等挑战。特别是对于含Cu/Mn的Fe-Ni-Cr基高熵合金体系，元素在快速凝固过程中的分布行为及其对裂纹的影响机制尚不明确。

针对这一科学问题，来自国内的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了创新性研究成果。该工作聚焦(Fe₂Ni₂CrMn)_99.00+(Mo₃₃Cu₇₇)_10.0体系，通过系统调控LPBF工艺参数，首次揭示了体积能量密度(Volumetric Energy Density, VED)对元素偏析模式的调控规律：高VED(133 J/mm³)条件下Cu/Mn倾向于在高角晶界(High Angle Grain Boundary, HAGB)形成共偏析，而低VED(48 J/mm³)时Mn则富集于熔池边界。更关键的是，研究发现裂纹扩展主要受凝固收缩应力而非偏析主导，这一认知颠覆了传统合金中"偏析致裂"的固有观念。

研究团队采用多尺度表征技术联用的创新方法：通过电子探针微区分析(EPMA)绘制宏观偏析图谱，结合高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)解析纳米级元素分布，辅以电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征，并采用Scheil凝固模拟验证实验现象。所有样品均使用气体雾化法制备的20-63μm粒径合金粉末，在Renishaw 400AM系统上完成打印。

研究结果展现出清晰的规律性：在微观结构方面，EBSD分析显示高VED导致沿构建方向生长的粗大柱状晶，纹理指数达14.3，而低VED样品(L₄₈)呈现随机取向的细小晶粒。元素分布特征上，EPMA和STEM证实高VED条件下Cu在HAGB形成不连续偏析层(峰值强度达基线4倍)，Mn则呈现1.5倍富集；而在细胞状亚结构中，所有样品均显示Fe/Cr富集于胞心、Mn/Cu富集于胞壁的共性特征，与Scheil模拟预测完全吻合。

特别值得关注的是熔池边界现象：在100W激光功率样品中，Mn呈现与熔池形状匹配的波浪状偏析带，研究者结合流体动力学模拟指出这可能是Mn气化与马兰戈尼对流共同作用的结果。而在裂纹行为方面，定量统计显示L₆₇样品裂纹面积达6.0%，远高于H₁₃₃的2.8%，但后者却是唯一出现液化裂纹的样品，表明高VED虽加剧偏析却未必恶化开裂。

讨论部分深入阐释了三个关键发现：首先，Cu的异常扩散行为解释了其在近平衡条件下优先偏析的特性——200W功率样品中Cu扩散距离达1137.9nm，是100W样品的3倍以上。其次，Mn的熔池边界偏析被证实与气化效应相关，这通过304L不锈钢的模拟数据得到间接验证。最后，裂纹分析颠覆认知地表明，即使在不含偏析的晶界处仍出现开裂，证实残余应力而非偏析是主要诱因，这一发现得到CoCrFeMnNi体系研究的佐证。

该研究的科学价值在于建立了LPBF工艺-偏析行为-裂纹机制的关联模型：VED通过调控冷却速率影响溶质再分配，但最终开裂程度取决于热应力积累。这一认知为高熵合金的增材制造工艺设计提供了明确指导——在保证成形质量的前提下，适当提高VED反而有助于缓解开裂。研究团队特别指出，未来工作应聚焦于热场调控与成分优化的协同设计，以突破高熵合金在航空航天等关键领域的应用瓶颈。