激光粉末床熔融制备共晶高熵合金中多尺度异质结构与相变协同增强塑性的机制研究

本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)制备AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金(EHEA)中界面应力集中导致的塑性受限问题，通过构建梯度晶粒尺寸、纳米胞状结构及FCC/BCC交替相分布的多尺度异质结构，结合应变诱导相变(FCC→9R/BCC→HCP)机制，实现屈服强度1205 MPa、均匀延伸率25%的强塑性协同提升，为增材制造高性能结构材料设计提供新思路。

　　

在金属材料领域，如何突破传统材料强度与塑性的"倒置关系"一直是重大科学难题。激光粉末床熔融(LPBF)作为最具潜力的增材制造技术，虽能通过快速凝固(10⁵-10⁷ K/s)获得细晶组织，但由此产生的半共格相界面应力集中常导致材料过早失效。特别是对于AlCoCrFeNi_2.1这类具有优异力学性能的共晶高熵合金(EHEA)，其FCC/BCC两相界面在变形过程中的位错累积问题严重制约了工程应用。

中国航空工业集团的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds Communications》发表的研究中，创新性地利用LPBF技术构建了具有三级尺度特征的异质结构：50 μm厚FCC主导柱状晶、1 μm超薄BCC等轴夹层以及450 nm纳米胞状亚结构。通过电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等表征手段，发现这种独特结构能同步激活异质变形诱导(HDI)强化和动态相变两大机制：一方面，晶粒尺寸梯度促进位错存储；另一方面，应变驱动的FCC→9R和BCC→HCP相变有效缓解了界面应力集中。

关键技术包括：(1)采用15-53 μm粒径的预合金粉末进行LPBF成形；(2)通过三维EBSD解析晶粒取向与相分布；(3)纳米压痕测试局部力学性能；(4)原位拉伸结合数字图像相关(DIC)技术追踪应变分配。

【Microstructural analysis】显示：柱状晶内FCC相呈现强烈的<001>织构，而BCC夹层则呈现随机取向。高分辨TEM证实存在9R马氏体过渡相，这种亚稳相能有效协调FCC/BCC界面的应变不匹配。

【Discussion】部分揭示：25%的均匀延伸率源于三大协同效应：(1)梯度晶粒结构促使裂纹偏转；(2)纳米胞壁作为位错增殖源；(3)相变消耗应变能并产生新的滑移系。特别是BCC→HCP转变产生的hcp相具有更高滑移系激活率，这是传统EHEA中未被报道的新机制。

该研究的重要意义在于：首次在LPBF制备的EHEA中证实了多尺度结构设计与相变塑性的协同作用，为开发新一代增材制造结构材料提供了理论依据。通过精确调控熔池凝固动力学，未来可进一步优化FCC/BCC相比例，实现更高层次的强韧化设计。