激光粉末床熔融无钴面心立方多主元合金的元素偏析行为及低温强塑性协同效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Elemental Segregation Behavior and Cryogenic Strength-Ductility Synergy in Additively Manufactured FeCrNiMn Multi-Principal Element Alloy

　　

本研究针对激光粉末床熔融（LPBF）制备的无钴面心立方（FCC）多主元合金，探讨扫描速度、元素偏析及变形机制对低温强塑性协同效应的影响。研究人员以等原子比Cr25Fe25Ni25Mn25合金为对象，在800–1200 mm/s扫描速度下成形，并于298 K和77 K开展拉伸测试。所有试样在77 K下均呈现强度与延性同步提升；其中1200 mm/s试样最具代表性，屈服强度、抗拉强度与总延伸率由298 K下的609 MPa、706 MPa、20.0%升至77 K下的949 MPa、1170 MPa、26.4%，均匀延伸率由11.0%增至23.0%，表明低温下加工硬化持续且颈缩延迟。铸态组织为单一FCC相，含细晶/柱状晶、低角晶界网络与胞状位错结构；Mn-Ni在胞壁共偏析引发局部化学与应力异质。77 K下层错能降低与流变应力升高促进密堆叠层错、早期变形孪晶及大量Lomer-Cottrell锁，协同位错胞强化、氧化物粒子强化与动态Hall-Petch强化，共同赋予优异低温强塑性组合。

研究背景与立项依据

多主元合金（MPEA，含高熵合金HEA与中熵合金MEA）因相稳定性与缺陷演化可调，成为低温结构材料候选。面心立方（FCC）MPEA在低温下具优异强塑性协同，典型如Cantor合金CrMnFeCoNi与CrCoNi中熵合金。然而含Co体系在核环境中因中子活化受限，无钴CrFeNiMn既保留FCC浓固溶特征，又具辐照微结构稳定性潜力。激光粉末床熔融（LPBF）以快熔快凝引入熔池边界、胞状亚结构、高位错密度及非平衡偏析，为调控MPEA组织提供新路径。既有研究多聚焦室温性能，LPBF无钴CrFeNiMn在77 K下的偏析-位错胞-层错/孪晶-Lomer-Cottrell锁协同机制尚不清。研究人员以此开展等原子Cr₂₅Fe₂₅Ni₂₅Mn₂₅的LPBF制备与298 K/77 K拉伸，厘清低温强塑性同步提升机理。

关键技术方法

研究人员采用气雾化预合金Cr₂₅Fe₂₅Ni₂₅Mn₂₅粉末，于DiMetal-150系统氩气保护下以激光功率200 W、光斑90 μm、扫描间距0.08 mm、层厚0.03 mm、层间转角67°成形块体，扫描速度取800、900、1000、1200 mm/s四组；线切割狗骨试样（标距7×2×1.3 mm）沿垂直建造方向取样。力学上用MTS C45.504Y于298 K与液氮77 K以1×10^-3 s^-1拉伸（每态≥3次）。表征上用Zeiss Sigma 560扫描电镜（SEM）配电子背散射衍射（EBSD）与能谱（EDS），经砂纸至4000#加振动抛光获高质量面；透射电镜（TEM，Talos F200X）分析用双喷10%高氯酸乙醇制样；化学强化以Varvenne-Luque-Curtin模型估算，几何必要位错（GND）密度由EBSD核平均取向差（KAM）推算，层错能（SFE）参考CrMnFeNi第一性原理ANNI模型。

研究结果

3.1 室温和低温力学性能

四组参数下298 K强度差异小、延性波动；77 K下四曲线趋近重合且强塑性同升。1200 mm/s（4号）试样综合最优：298 K屈服609 MPa、抗拉706 MPa、总延20.0%；77 K分别达949 MPa、1170 MPa、26.4%，均匀延伸11.0%→23.0%。真应力-真应变与加工硬化率（SHR）显示77 K具更高硬化能力与三阶段硬化平台，颈缩延迟。相对密度99.94%、表面微裂更少，较低体积能量密度（VED=69.44 J/mm³）利于减热输入与热应力。

3.2 初始微结构特征

垂直建造面EBSD显示细晶（均值36.84 μm）与准同心熔池，单相FCC，低角晶界（LAGB）占53.4%、高角晶界（HAGB）46.6%，平均KAM 1.59°；平行建造面呈柱状晶（均值101.51 μm），平均KAM 1.39°，定向热流致外延生长。组织源于LPBF快凝与反复热循环。

3.3 TEM表征、元素偏析与弥散氧化物

TEM确认胞状亚结构+单相FCC，胞壁位错缠结。STEM-EDS显示胞内成分匀，胞壁Mn（+2~4 at.%）与Ni（+2~3 at.%）共偏析、Fe/Cr相对贫化，归因于Ni-Mn强负混合焓（-4.9 kJ/mol）与快凝溶质再分配。Varvenne-Luque-Curtin算得胞壁原子体积涨落平方由0.354升至0.392 ?⁶，化学强化由~220 MPa增至~236 MPa（局域+16 MPa，+7.2%）。另见平均32.34 nm富Mn氧化物纳米粒（MnO_x），钉扎位错。HRTEM/GPA示胞壁附近应变集中。

3.4 不同温度变形微结构与强化机制

298 K断口韧窝大小混杂；77 K韧窝细密均匀，无解理。EBSD示298 K大晶粒内少量薄变形孪晶（DT），KAM升高由胞壁向胞内扩展；77 K 10%应变即现孪晶，断裂后孪晶密度远高、间距小。TEM中298 K以位错滑移为主，伴有限层错与Lomer-Cottrell（L-C）锁；77 K层错密度剧增、间距缩，孪晶与多对L-C锁共存。SFE随温降而降（参照CrFeCoNi系室温36→低温10.8 mJ/m²），临界孪晶应力σ_tw∝(γ_SF)^1/2下降，加之77 K流变应力早达高位，促Shockley分位错与早期孪晶。KAM推GND密度：铸态→298 K断→77 K断对应位错强化~125.9→153.1→143.0 MPa，低温附加仅~17 MPa，证明低温高硬化非单纯GND增量，而缘于可动位错存储交互+层错/孪晶/L-C锁动态细化（动态Hall-Petch）。

讨论与结论翻译

讨论指出：LPBF无钴CrFeNiMn的低温强塑性协同来自“工艺诱导化学/缺陷异质”与“低温部分位错-层错-孪晶-锁点”耦合。Mn-Ni胞壁偏析抬升局域化学阻力和SFE空间涨落，位错胞与氧化物予初始骨架；77 K低SFE+高流变应力使层错密布、孪晶早启、L-C锁频发，动态晶界（孪晶界）细化与锁点阻错维持高加工硬化率至大应变，故强与塑同升。

研究人员结论如下：

（1）1200 mm/s试样低温响应最佳，屈服/抗拉/总延由609 MPa/706 MPa/20.0%（298 K）升至949 MPa/1170 MPa/26.4%（77 K），均匀延伸11.0%→23.0%。

（2）LPBF获细/柱晶、富LAGB、胞状位错、胞壁Mn-Ni共偏析（Mn+2~4、Ni+2~3 at.%）及弥散MnO_x纳米粒；Varvenne-Luque-Curtin析得胞壁化学强化阻力220→236 MPa（局域+16 MPa）。

（3）298 K以位错滑移为主，伴少量层错/孪晶/L-C锁；77 K层错与孪晶小应变激活且剧增，L-C锁更频，低SFE倾向与高流变应力共促部分位错与早期孪晶。

（4）KAM-GND附加强化298 K断~27 MPa、77 K断~17 MPa，低温优硬化非KAM-GND密度单因，而系LPBF化学/缺陷异质与低温位错-层错-孪晶-锁点交互耦合所致。该文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。