利用激光定向能量沉积技术在高熵合金中构建仿生梯度异质结构：微观组织、强度-韧性平衡以及摩擦学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Construction of bio-inspired gradient heterogeneous structures in high-entropy alloys by laser-directed energy deposition: Microstructure, strength-ductility balance, and tribological properties

仿竹RFC结构梯度异质材料通过激光熔覆制备，对比发现其具有高强度（1740 MPa）、高延展性（41%）和优异耐磨性，磨损机制随载荷变化呈现氧化磨损与粘着磨损协同演化，解决了传统异质材料功能单一化问题。

　　本研究聚焦于金属材料在强度、延展性和耐磨性之间的固有性能权衡问题，这一挑战长期以来限制了其在高端工程领域的应用潜力。通过借鉴竹子的生物结构特征，科研人员成功设计并制备了一种具有梯度异质结构的金属材料，该材料在强度、延展性和耐磨性方面表现出优异的协同增强效果。研究采用激光定向能量沉积（LDED）技术，将316L不锈钢与FeCoCrNiMn高熵合金（HEA）结合，构建出一种仿生结构。这种结构不仅保留了传统金属材料的优点，还在微观尺度上实现了性能的突破。

竹子的结构特性为金属材料的仿生设计提供了重要的启发。竹子的横截面呈现出独特的刚柔耦合（RFC）结构，外层由高密度的纤维束构成，承担主要的承载功能，能够有效抵抗弯曲应力并抑制裂纹的产生。内层则由多孔的薄壁细胞组成，具有良好的能量吸收能力，能够在受到冲击时通过压缩变形消耗能量，从而防止裂纹扩展。这种结构在竹子中实现了高强度与高延展性的完美结合。本研究在这一基础上，提出了仿生梯度异质结构的概念，通过控制材料的化学组成和微观结构变化，模拟竹子的刚柔耦合功能。

与传统的梯度材料不同，本研究中的仿生梯度异质结构并不单纯复制竹子的形态特征，而是重点模仿其功能机制。外层的FeCoCrNiMn高熵合金具有较高的硬度和强度，模拟了竹子的刚性纤维束层；内层的316L不锈钢则具备良好的延展性和能量吸收能力，对应于竹子的柔性细胞层。这种结构设计使得材料在宏观尺度上表现出性能的梯度分布，例如硬度、屈服强度和加工硬化率等。通过这种设计，材料能够在受力时实现应变的局部分布和延展性的延迟，从而在保持强度的同时提高材料的延展性。

本研究的创新点在于利用LDED技术实现复杂结构的精确构建。LDED作为一种增材制造技术，能够在逐层沉积的过程中对材料进行精确控制，避免了传统铸造和粉末冶金技术中可能产生的内部应力和非平衡相的问题。此外，由于316L和FeCoCrNiMn均含有Fe、Cr和Ni等元素，两者之间的冶金结合性良好，有利于形成稳定的RFC结构。这种结构不仅提高了材料的综合性能，还增强了其在极端环境下的应用潜力，如航空航天精密部件或深海设备等。

在性能测试方面，本研究对三种样品进行了系统的微观结构、晶体学特性、机械性能和耐磨性能分析。结果显示，所有样品均表现出单一的面心立方（FCC）相特征，微观结构中包含了取向柱状晶、等轴晶和细胞状晶等多种形态。这些微观结构的分布对材料的整体性能产生了重要影响。在机械性能方面，RFC结构材料表现出显著的优势。在沉积方向加载时，其拉伸延展性达到了41%，比FeCoCrNiMn高熵合金提升了36.7%。这表明，通过仿生设计，材料在保持高强度的同时，也能够实现良好的延展性。此外，RFC材料的极限弯曲强度高达1740 MPa，远超传统金属材料的性能水平。

在耐磨性能方面，RFC结构材料同样表现出优异的特性。与316L不锈钢和FeCoCrNiMn高熵合金相比，其耐磨性得到了显著提升。然而，值得注意的是，RFC材料的耐磨机制会随着载荷的变化而发生改变。在较低载荷下，主要的磨损机制为氧化磨损和轻微的磨粒磨损；而在较高载荷下，磨损机制则转变为粘着磨损、严重的磨粒磨损以及疲劳磨损的协同作用。这种磨损机制的变化表明，RFC结构材料在不同工况下具有良好的适应性，能够根据实际需求调整其性能表现。

从材料科学的角度来看，RFC结构的构建不仅依赖于材料的化学组成，还与其微观结构密切相关。本研究中的材料通过LDED技术实现了精确的梯度分布，这种结构设计使得材料能够在不同区域表现出不同的功能特性。外层的高熵合金由于其高密度的位错网络和再结晶现象，具有较高的强度和硬度；而内层的316L不锈钢则通过其良好的延展性和能量吸收能力，实现了材料的柔性特性。这种功能耦合的结构设计，使得RFC材料能够在受到外部载荷时，同时发挥刚性承载和柔性耗能的作用，从而在强度和延展性之间实现平衡。

本研究还揭示了高熵合金FeCoCrNiMn在LDED技术下的独特性能表现。该合金在低温下（15 K）能够达到2.5 GPa的极限抗拉强度，这主要得益于其多尺度协同作用机制。在原子尺度上，多种主原子引起的晶格畸变产生了显著的固溶强化效应；在微观尺度上，高密度的位错纠缠和纳米孪晶界有效阻碍了位错的运动，从而提升了材料的极限抗拉强度。此外，研究还发现，Mn元素在FeCoCrNiMn中对降低磨损率起到了关键作用。通过分子动力学模拟，科研人员进一步解释了Mn元素如何影响材料的磨损行为，从而为高熵合金的性能优化提供了理论支持。

在实验方法上，本研究采用了X射线衍射（XRD）分析、显微结构观察以及机械性能测试等多种手段，全面评估了RFC结构材料的性能。XRD分析结果显示，316L不锈钢和FeCoCrNiMn高熵合金均保持了单一的FCC相结构，这为后续的性能分析奠定了基础。显微结构观察则揭示了材料中不同晶粒形态的存在，包括取向柱状晶、等轴晶和细胞状晶等，这些晶粒形态的分布对材料的力学行为产生了重要影响。机械性能测试进一步验证了RFC结构材料在强度、延展性和耐磨性方面的优越表现，为材料的实际应用提供了有力的支撑。

本研究的意义不仅在于材料性能的提升，更在于其对材料设计理念的创新。通过仿生设计，科研人员成功实现了金属材料在多个性能维度上的协同增强，突破了传统材料在强度与延展性之间的性能权衡限制。这一成果为开发具有多功能集成特性的金属材料提供了新的思路，也为解决高端工程领域对材料性能的高要求提供了技术路径。未来，随着材料科学和仿生学的进一步发展，类似的结构设计有望在更多领域得到应用，例如生物医学植入物、能源设备、航空航天结构等。

在实际应用中，RFC结构材料的优异性能使其具备广阔的前景。其高硬度和强度可以满足高强度结构件的需求，而良好的延展性和能量吸收能力则有助于提高材料的使用寿命和安全性。此外，材料在不同载荷下的耐磨机制变化，使其能够适应复杂的工况条件，从而提升其在实际应用中的可靠性。通过精确控制材料的化学组成和微观结构，科研人员能够实现材料性能的梯度分布，这种设计方法为开发高性能、多功能的金属材料提供了新的方向。

本研究的另一个重要贡献在于对高熵合金在LDED技术下的性能表现进行了深入探讨。高熵合金因其独特的化学组成和微观结构，通常表现出优异的力学性能，但其在某些极端条件下的性能表现仍需进一步研究。通过LDED技术，科研人员能够将高熵合金与传统金属材料结合，构建出具有梯度特性的复合材料，从而拓展了高熵合金的应用范围。此外，本研究还发现，经过退火处理的FeCoCrNiMn高熵合金能够有效降低磨损率，其主要磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损，这一发现为高熵合金的表面处理和性能优化提供了新的视角。

综上所述，本研究通过仿生设计和先进制造技术，成功开发了一种具有刚柔耦合特性的梯度异质结构金属材料。该材料在强度、延展性和耐磨性方面表现出显著的优势，其性能提升主要归因于材料内部的多尺度协同作用机制。通过精确控制材料的化学组成和微观结构，科研人员实现了材料性能的梯度分布，为开发高性能、多功能的金属材料提供了重要的理论依据和技术路径。未来，随着材料设计和制造技术的不断进步，这种仿生结构材料有望在更多领域得到应用，推动金属材料在工程领域的进一步发展。