通过激光快速成型实现共晶高熵合金的强塑性协同

《Journal of Alloys and Compounds》：Achieving strength-ductility synergy of eutectic high-entropy alloys via laser fast patterning

　　

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  本文提出了一种新型激光快速图案化策略，用于在铸态AlCoCrFeNi_2.1构件上构建离散周期性的硬重熔点。这种可编程的局部改性方式避免了薄壁复杂铸件的变形，无需二次成形即可对成品零件实现定向微观结构调控。
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  我们系统验证了等边三角形分布的圆形重熔区可实现最优的强韧性协同。我们定量确定了500 μm的最佳点间距（PSE值最大），并推导了基于Eshelby公式的硬相体积分数与均匀延伸率之间的关联式。
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  通过阶梯应变EBSD和TEM表征，揭示了双尺度异步变形耦合反应力硬化机制。几何必需位错在基体-重熔界面和FCC/BCC层片界面处持续积累，维持了高加工硬化能力并延缓了塑性失稳，深化了对层片状共晶高熵合金中HDI强化机制的理解。

引言

共晶高熵合金（EHEAs）因其优异的液相流动性而受到了研究人员的广泛关注[1], [2], [3]。因此，EHEAs在制造具有复杂几何形状和薄壁结构的构件方面展现出无与伦比的潜力，例如航空发动机机匣、汽车车身和涡轮发动机叶片。然而，进一步提高铸态EHEAs的力学性能仍然是推进EHEAs实际工程应用的核心挑战。

大量研究表明，构建异质结构可以实现力学性能的协同强化[4], [5], [6]。这种协同强化来源于塑性变形过程中异质结构引起的反应力硬化[7], [8], [9]。具体而言，反应力硬化是由于软域和硬域之间存在不兼容且异步变形，导致几何必需位错（GNDs）在异质结构的界面处积累[10], [11], [12]。因此，优化铸态构件中软硬区域的空间分布是提高其力学性能的有效策略。

现有研究主要采用塑性变形[8], [13], [14]、热处理[2], [15], [16]和表面处理[17], [18]等工艺策略来构建铸态材料的异质结构。然而，这些方法存在固有缺陷：塑性变形通常不适用于预制构件；常规热处理容易产生全局均匀的组织，难以根据局部需求精确调控特定微观区域；而表面改性仅具有浅层影响，对于调控复杂形状构件的内部区域效果有限。因此，开发高效、精确且低损伤的改性技术，使其适用于复杂铸态构件，对于进一步推动EHEAs的工程应用具有重要需求。

近年来，激光加工技术，如激光增材制造[19], [20], [21]、激光重熔[22]和激光熔覆[23], [24], [25], [26]，已得到广泛研究和应用，用于高熵合金（HEAs）的制备和表面处理。与传统改性方法相比，激光热处理凭借其独特优势展现出广阔的应用前景。一方面，激光照射下的快速凝固行为可以显著细化晶粒并诱发位错强化，同时缩小热影响区，从而有效避免复杂铸态构件——尤其是薄壁件——在改性过程中常见的变形、精度下降甚至开裂问题。另一方面，激光加工通过可编程控制实现高精度定点改性，能够适应各种几何形状和尺寸的铸态零件，尤其适用于薄壁结构的局部精细调控。此外，激光重熔具有高效率、可控性强的特点，可直接对铸态成品进行改性，无需额外的后续成形工序。

本文创新性地采用激光快速图案化（LFP）技术，在铸态AlCoCrFeNi_2.1EHEAs上制备按等边三角形排列的周期性圆形图案。这种周期性排列具有优越的几何对称性，且圆形特征无尖锐拐角，可显著缓解应力集中并延缓裂纹的过早萌生[24], [27]。这种创新方法实现了AlCoCrFeNi_2.1EHEAs力学性能的显著协同强化，屈服强度达到784.2?MPa，同时保持23.6%的均匀延伸率。该策略为调控复杂几何形状铸态构件的力学性能提供了一条灵活可行的途径，拓宽了铸态EHEAs的应用范围。

章节摘要

材料与方法

AlCoCrFeNi_2.1EHEA通过纯金属（纯度≥99.9%）的真空悬挂熔炼制备。通过三次重复熔炼使成分均匀。使用线切割电火花加工将板材切割至厚度1?mm。随后，用1000目砂纸打磨样品，并使用乙醇彻底清洗。接下来，采用LFP技术在AlCoCrFeNi_2.1EHEAs上有选择性地重熔一系列直径为0.25?mm的圆形点阵。LFP工艺

结果与讨论

本研究采用LFP技术在AlCoCrFeNi_2.1EHEAs薄壁金属管材和涡轮发动机叶片的表面制备图案化结构，如图1(a)所示。AlCoCrFeNi_2.1EHEA具有良好的熔体流动性，使其能够利用相应模具直接铸造具有复杂几何特征的工作件。铸造凝固后，铸态复杂几何形状样品经表面研磨去除表面铸造缺陷

结论

本文确立了LFP作为一种高效精确的技术，用于构建异质周期性硬图案以精确控制铸态AlCoCrFeNi_2.1EHEAs的力学性能。等边三角形排列的圆形重熔区消除了尖角应力集中，并通过调整圆间距实现细化硬相区可调的体积分数。LFP处理将FCC/BCC层片细化至纳米尺度，大幅提升硬度。LFP-500 EHEAs达到

CRediT作者贡献声明

Lidan Qu：写作——审阅与编辑。Yunzhuo Lu：写作——审阅与编辑，概念构思。Weiqi Wang：写作——审阅与编辑，数据整理。Di Lu：写作——初稿撰写，概念构思。Xiangcheng Cui：项目管理。

利益冲突声明

我们声明，我们与其他人员或组织之间不存在可能不当影响我们工作的财务或个人关系，在任何产品、服务和/或公司中不存在任何性质或类型的专业或其他个人利益，这些利益可能被解释为影响本文所呈现的立场或对题为《通过激光快速图案化实现共晶高熵合金强韧性协同》的稿件进行审阅。

致谢

本工作受国家重点研发计划（编号：2023YFB3408101）、国家自然科学基金（编号：52271022和52401036）、辽宁省青年科学基金（A类）（编号：2025-JQ-03）以及2025年辽宁省教育厅基本科研项目（编号：LJ212510150016）资助。

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明

Lu Di|崔翔城|王魏奇|曲立丹|卢云卓