《Materials & Design》：High-performance cobalt-based model superalloy with aging-stable <101> texture and uniform γ′ precipitates by laser powder bed fusion
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激光粉末床熔融（LPBF）制备的Co-5Al-14V（原子百分比）合金展现出显著的<101>//构建方向（BD）织构，该织构在接近γ′固溶温度的900℃时效处理后仍保持优异的热稳定性。热处理样品表现出优异的强度-塑性协同效应及优化潜力。γ′析出相在孪晶界与常规
激光粉末床熔融（LPBF）制备的Co-5Al-14V（原子百分比）合金展现出显著的<101>//构建方向（BD）织构，该织构在接近γ′固溶温度的900℃时效处理后仍保持优异的热稳定性。热处理样品表现出优异的强度-塑性协同效应及优化潜力。γ′析出相在孪晶界与常规晶界处呈现不同的生长行为。研究人员系统对比了沉积态（AP）、直接时效态（AG）和固溶+时效态（SS+AG）三种条件下的微观组织演变、织构稳定性及γ′沉淀行为。结果表明，AP样品因快速凝固引入的高密度位错而具有最高屈服强度（648±9 MPa），但加工硬化能力有限；AG和SS+AG样品均形成均匀分布的纳米级立方状γ′析出相，抗拉强度接近1 GPa，均匀延伸率分别达到19%和22%。直接时效在保留强<101>织构的同时实现了γ′强化，而固溶+时效处理虽产生γ′相但导致织构随机化。透射电子显微镜（TEM）分析证实γ′相为L12有序结构，V元素在γ′相中富集，Co元素相反。孪晶界处γ′析出相可连续跨越界面生长，而常规晶界处γ′生长受到抑制，这与孪晶界较低的界面能有关。该研究为钴基高温合金的增材制造组织调控及高性能合金设计提供了重要理论基础。
论文解读：激光粉末床熔融制备钴基模型高温合金的组织调控与力学性能研究
一、研究背景与意义
随着航空发动机和发电系统对更高工作温度的持续需求，传统镍基高温合金已接近其性能极限。钴的熔点比镍高约40℃，且钴基高温合金具有宽泛的γ/γ′两相区，其中有序L12相在高温下保持稳定，因此被认为是下一代涡轮叶片、燃烧室衬垫等高温结构件的理想候选材料。然而，实现这一潜力需要精确控制晶粒尺寸、晶体学织构和析出相分布。激光粉末床熔融（LPBF）作为一种革命性增材制造技术，能够实现微观组织调控。但LPBF制备的高温合金虽具有强沉积织构，后续γ′析出所需的高温时效却容易诱发再结晶，导致织构退化。如何在保持强织构的同时获得均匀的γ′析出相，一直是增材制造钴基高温合金面临的基础性挑战。本研究基于新型Co-5Al-14V（原子百分比）三元合金，该成分具有较高的γ′固溶温度（约964±3℃），其沉积态呈现出不同于镍基合金典型<001>织构的显著<101>//BD织构，且该织构在接近固溶温度时效后仍能保持，同时获得均匀分布的纳米级γ′析出相。
二、研究目的与主要方法
研究人员旨在系统比较沉积态（AP）、直接时效态（AG）和固溶+时效态（SS+AG）三种条件下的微观组织演变、织构稳定性及γ′沉淀行为，揭示位错亚结构、析出相分布和再结晶对力学性能的协同贡献。研究采用的主要技术方法包括：氩气雾化制备预合金Co-5Al-14V粉末，利用最大功率100 W的LPBF系统进行工艺参数优化（激光功率85-95 W、扫描速度400-1200 mm/s、扫描间距20-70 μm，层厚20 μm，0°层间旋转单向扫描策略）；采用电子背散射衍射（EBSD）表征晶体学织构，扫描电子显微镜（SEM）观察γ′析出形貌，透射电子显微镜（TEM）结合选区电子衍射（SAED）和高角环形暗场（HAADF）分析位错亚结构和γ′相晶体结构，能谱分析（EDS）进行元素分布表征，室温拉伸实验测试力学性能。
三、研究结果
1. 工艺参数优化与缺陷控制
研究人员首先通过单道实验和参数矩阵优化获得了无缺陷加工窗口。在85 W、400 mm/s参数下制备的样品相对密度达99.9%，熔池呈“浅而宽”形态，有利于气泡上浮和消除未熔合缺陷。较高扫描速度（800-1200 mm/s）导致缺陷面积分数超过8%，产生圆形气孔和不规则未熔合空隙。
2. 沉积态微观组织特征
AP样品在顶面呈现多边形晶粒，侧面可见沿构建方向生长的柱状晶。TEM观察显示高密度位错胞结构，位错胞边界间距数百纳米。EDS面分析发现V元素呈现胞状偏析，周期约450-790 nm，而Co和Al分布均匀。SAED确认基体为面心立方（FCC）结构，无γ′相析出。
3. 织构特征与热稳定性
EBSD分析表明AP样品具有显著的<101>//BD织构，明显区别于镍基LPBF合金常见的<001>//BD取向。经900℃时效后，AG样品仍保留强<101>织构，表明该织构具有优异的热稳定性。而SS+AG样品因固溶处理发生明显再结晶，织构显著弱化，晶粒破碎并出现大量退火孪晶。这种织构稳定性归因于快速γ′析出消耗储存变形能以及析出相对晶界迁移的钉扎效应。
4. γ′析出行为
AP样品因快速冷却抑制二次相形成，微观组织无明显析出。AG和SS+AG样品均形成均匀分布的立方状γ′析出相，二维面积分数分别为38.9%和39.5%，平均等效圆直径分别为312±96 nm和335±118 nm。SAED沿[001]晶带轴显示清晰的L12超点阵反射，确认γ′为有序相。TEM-EDS显示V在γ′中富集，Co呈现相反趋势，Al分布均匀。EDS线扫描测得γ′相成分约为76Co-7Al-17V（原子百分比），与900℃等温截面相图一致。值得注意的是，孪晶界处γ′析出相保持规则形貌并跨越界面连续生长，而常规晶界处γ′析出通常在界面终止或错排，表明孪晶界具有更低的界面能和更小的析出生长势垒。
5. 力学性能
室温拉伸结果表明AP样品屈服强度最高（648±9 MPa），但加工硬化能力有限，应力较早饱和。AG和SS+AG样品表现出显著增强的加工硬化能力和优异的强度-塑性协同，抗拉强度接近1 GPa，均匀延伸率分别为19%和22%。在真应变小于0.05的初始变形阶段，AG样品的加工硬化率明显高于SS+AG样品，这与AG保留更多LPBF继承位错有关。随着应变增加，两者加工硬化率趋同，表明γ′析出相主导后续强化行为。
四、讨论与结论
通过比较三种微观组织基线，研究人员成功分离了LPBF位错亚结构、γ′析出和再结晶/孪生对力学性能的贡献。AP样品的高屈服强度源于高密度位错，但缺乏稳定障碍物导致加工硬化率快速衰减。AG和SS+AG样品的优异综合性能归因于共格纳米级γ′析出相有效阻碍位错运动，维持持续的位错储存和增殖。KAM分析显示AP、AG和SS+AG的平均KAM值分别为1.84±0.64°、0.99±0.66°和0.24±0.16°，证实了不同状态下位错密度的差异。关于<101>织构的形成，金相观察显示一次枝晶生长方向相对水平方向倾斜约48°，接近45°，这与熔池形状诱导的热流方向偏转导致<001>取向倾斜、最终经竞争选择形成<101>//BD织构的机制一致。单向扫描策略（0°层间旋转）提供了高度重复的层间热历史，促进了外延生长和取向遗传。
研究结论指出：LPBF制备的Co-5Al-14V合金具有显著的<101>//BD织构，在900℃时效后仍保持热稳定，归因于快速γ′析出消耗缺陷能和析出相钉扎抑制再结晶的联合作用；AP样品屈服强度最高但加工硬化能力有限；AG和SS+AG样品均获得接近1 GPa的抗拉强度和约20%的均匀延伸率，共格纳米级立方状γ′析出相是维持应变硬化的关键。该工作为模型钴基合金的微观组织-性能关系提供了基础理解，并为面向高温结构应用的新型钴基高温合金设计和热机械加工策略奠定了理论基础。尽管当前Co-5Al-14V三元合金的力学性能尚不及IN718等商业镍基合金，但其成分简单性使研究人员能够解耦多元素合金化的干扰效应，通过成熟合金化策略有望进一步提升性能。
