通过增材制造技术形成的纳米级层状结构显著提升了AlCoCrFeNi 2.1共晶高熵合金的动态抗损伤性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Additive-manufactured nanoscale lamellar architecture enables enhanced dynamic damage resistance in an AlCoCrFeNi 2.1 eutectic high-entropy alloy

增材制造通过细化AlCoCrFeNi2.1高熵合金片层结构，显著提升其动态抗冲击性能，纳米半共格界面阻碍位错滑移并激活多滑移系，协同作用延缓空泡形核与损伤合并。

　　

Jiahang Liu|Yuzhen Yin|Junhao Gao|Xuan Luo|Di Ouyang|Weifeng Liu|Jiahao Yao|Lin Liu|Jie Pan

中国华中科技大学材料科学与工程学院材料加工与模具技术国家重点实验室，武汉430074

摘要

阐明共晶高熵合金在高应变率下的变形行为对于其在极端环境中的应用至关重要，然而层状结构的厚度在控制动态力学性能和损伤演化中的关键作用尚未完全理解。在本研究中，通过板材冲击实验系统地研究了AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金（EHEA）在铸态和增材制造（打印态）下的动态剥落行为。通过增材制造（AM）实现的共晶层状结构的纳米级细化使单轴拉伸下的准静态屈服强度从0.47 GPa提高到了1.32 GPa，更重要的是，在约400 m/s的冲击速度下，剥落强度从2.93 GPa提高到了4.09 GPa。这种改进归因于打印态EHEA中纳米级半相干界面的高密度，这些界面作为位错滑动的强屏障，促进了堆垛故障和Lomer–Cottrell锁的形成，从而激活了多个滑移系统。同时，满足Kurdjumov–Sachs取向关系的界面为位错穿过层状结构提供了优先通道。这种屏障型和通道型界面的协同作用分散了塑性变形，延迟了空洞的形核，并通过钝化裂纹和偏转抑制了损伤的聚合，使得打印态EHEA在屈服强度和抗剥落性能方面表现出色，优于其铸态对应物。

引言

高熵合金（HEAs）通过利用多种主要元素实现了卓越的热稳定性和机械性能，从而彻底改变了合金设计理念，克服了传统基于溶剂的系统的局限性[[1], [2], [3], [4]]。其中，共晶高熵合金（EHEAs）因其自组织的双相结构（通常是软的面心立方（FCC）和硬的体心立方（B2）相）而特别突出，这种结构起到了原位复合体的作用，实现了强度和塑性的出色协同效应[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。这一独特特性使得EHEAs不仅在准静态载荷下表现出色，而且在极端载荷条件下也能可靠工作，使其成为航空航天部件[[6],[12], [13], [14], [15]]、国防轻质装甲[[16], [17], [18]]以及吸能结构[[19], [20], [21], [22]]的有希望的候选材料。

在众多EHEA体系中，AlCoCrFeNi_2.1因其特有的共晶特性和优异的拉伸性能而被广泛采用[[5],[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]。然而，其微观结构对凝固条件非常敏感。在传统的电弧熔炼AlCoCrFeNi_2.1 EHEA中，相对缓慢的冷却条件会形成微米级的FCC/B2层状结构。尽管这类合金具有良好的塑性，但其屈服强度相对较低[[5]]。相比之下，增材制造（AM），特别是激光粉末床熔融（LPBF），通过利用高冷却速率和非平衡凝固路径，为微观结构的细化提供了有效途径[[24], [25], [26],[30], [31], [32], [33], [34], [35]]。最近的研究表明，LPBF制造的AlCoCrFeNi_2.1 EHEA形成了高度有序的纳米级FCC/B2层状结构，其特征尺寸比铸态对应物小一个到两个数量级[[36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]。这种显著的纳米级细化显著提高了强度，同时在准静态拉伸下保持了高延展性，据报道其屈服强度为1333 MPa，伸长率为14%[[41]]。

从微米级到纳米级层状结构的转变引发了一个关于EHEAs动态损伤演化的重要问题。Zhao等人对铸态AlCoCrFeNi_2.1的经典剥落研究表明，相界稳定了微观结构，防止了变形。然而，它们也成为了微孔的优先形核位点，从而降低了合金的动态性能。相界的这种看似矛盾的功能提出了一个重要问题：通过增材制造将相界密度提高几个数量级会带来什么后果？一方面，增材制造引入的极高密度的纳米级界面可能通过阻碍位错滑动和促进界面介导的强化来增强动态强度；另一方面，由于相界是损伤形核的优先位点，其密度的显著增加可能会在高应变率拉伸下加速微孔和裂纹的形成。Chen等人使用遵循Kurdjumov-Sachs（K-S）关系的Cu/Ta多层系统的原子模拟和计算分析表明，减小界面间距会降低剥落强度，突显了界面密度在动态失效中的非平凡作用。然而，目前还缺乏直接比较不同层状尺度EHEAs动态响应的实验证据。

为了解决这一空白，本研究系统地研究了通过传统铸造和LPBF制造的AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的动态响应。采用单阶段轻气枪板材冲击实验对两种合金进行了相同的冲击载荷条件测试。结合软恢复技术和多尺度微观结构表征，我们量化了制造过程对剥落强度和损伤演化的影响。我们的目标是阐明由微米级与纳米级层状结构控制的动态损伤演化机制之间的根本差异，从而为通过增材制造实现的微观结构定制设计高性能、抗冲击合金提供机制基础和实验指导。

材料制备

本研究使用了AlCoCrFeNi_2.1 EHEA。铸态（AC）EHEA从商业合金供应商处获得。打印态（AP）EHEA是通过LPBF使用粒径分布为15–53 μm的气雾化预合金粉末制造的。LPBF工艺在FS273M系统（Farsoon Technologies）中进行，并在高纯度氩气（99.995 vol%）气氛中进行，以最小化氧化。选定的工艺参数包括激光功率400 W、扫描速度1000 mm/s等。

AC和AP EHEAs的微观结构表征

图2显示了AC和AP AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs的XRD图谱。两种EHEA都显示出由FCC和B2相组成的双相结构。XRD分析在AC EHEA中发现了清晰的（100）超晶格反射，在AP EHEA中发现了相对较弱但可检测到的B2特征，证实了该系统的FCC?+?B2双相组成[[5,41]]。尽管由于不同的热历史，有序程度略有不同，但基本相组成保持一致。

结论

总之，通过比较具有微米级和纳米级层状结构的EHEAs的动态失效行为，本研究表明，通过增材制造实现的微观结构纳米级细化从根本上改变了动态损伤模式。由此产生的纳米级层状结构在准静态拉伸下实现了1.32 GPa的高屈服强度，在约400 m/s的冲击速度下实现了4.09 GPa的优异剥落强度，分别提高了180.9%和36.3%

作者贡献声明

Jiahang Liu：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理。Yuzhen Yin：方法论、研究。Junhao Gao：研究。Xuan Luo：研究。Di Ouyang：资源、方法论、资金获取。Weifeng Liu：正式分析。Jiahao Yao：概念化。Lin Liu：监督、资金获取。Jie Pan：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、方法论、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号52371155、52441404和52571194）和中央高校基本科研业务费（编号2023BR013）的财政支持。