華東理工Scripta Mater：增材制造+超聲滾壓，打造航天級(jí)超低溫高性能合金

來(lái)源：科學(xué)拾光

開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異低溫性能的增材制造合金，有助于推動(dòng)低溫應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)部件的發(fā)展。

本研究通過(guò)超聲表面滾壓工藝（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度納米結(jié)構(gòu)。所得合金在88 K下展現(xiàn)出顯著的強(qiáng)度-塑性平衡：斷裂應(yīng)變達(dá)24.6%（是293 K時(shí)的2.07倍），屈服強(qiáng)度高達(dá)1274 MPa。其超高屈服強(qiáng)度源于增材制造和USRP工藝誘導(dǎo)的高密度位錯(cuò)，而塑性提升的機(jī)制則來(lái)自兩方面：一是梯度層中動(dòng)態(tài)回復(fù)抑制導(dǎo)致的異質(zhì)變形誘導(dǎo)硬化效應(yīng)增強(qiáng)；二是88 K下基體區(qū)域?qū)\晶/微帶行為的激活（由堆垛層錯(cuò)能降低和高流動(dòng)應(yīng)力共同促成）。

1. 梯度納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)超聲表面滾壓工藝（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度納米結(jié)構(gòu)，顯著提升了材料在88 K低溫下的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度1274 MPa）與塑性（斷裂應(yīng)變24.6%，較室溫提高106.8%），突破了傳統(tǒng)強(qiáng)度-塑性倒置關(guān)系。

2. 低溫變形機(jī)制創(chuàng)新
發(fā)現(xiàn)低溫下梯度層的動(dòng)態(tài)回復(fù)抑制和基體區(qū)域?qū)\晶/微帶行為的協(xié)同作用：前者增強(qiáng)異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化效應(yīng)，后者因堆垛層錯(cuò)能降低和高流動(dòng)應(yīng)力激活多重變形亞結(jié)構(gòu)（位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶），共同促進(jìn)應(yīng)變硬化。

3. 工藝協(xié)同優(yōu)化策略
結(jié)合激光粉末床熔融（LPBF）與USRP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度位錯(cuò)和梯度納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控，為增材制造復(fù)雜幾何部件在低溫應(yīng)用中的高性能化提供了新途徑。

研究背景
高/中熵合金（HEAs/MEAs）近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，其中具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的中熵合金（MEAs）在低溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性和塑性。然而，F(xiàn)CC MEA的低強(qiáng)度限制了其工程應(yīng)用，亟需通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)低溫下強(qiáng)度與塑性的平衡。激光粉末床熔融（LPBF）作為主流的增材制造（AM）技術(shù)，能夠?yàn)閺?fù)雜幾何部件提供近凈成形解決方案，更重要的是，其引入的納米級(jí)胞狀結(jié)構(gòu)可顯著提升材料強(qiáng)度。

梯度納米結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是緩解強(qiáng)度-塑性倒置關(guān)系的有效途徑。例如，Pan等通過(guò)在HEA表面構(gòu)建梯度胞狀納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與塑性的協(xié)同提升，其機(jī)制主要源于梯度納米層中堆垛層錯(cuò)（SFs）和變形孿晶（DTs）的漸進(jìn)形成。近期研究表明，增材制造結(jié)合表面改性技術(shù)（SMTs）可改善材料的強(qiáng)度-塑性平衡與疲勞抗性，這主要?dú)w因于SMTs引入的梯度納米結(jié)構(gòu)及表面缺陷閉合效應(yīng)。然而，關(guān)于具有梯度納米結(jié)構(gòu)的增材制造合金在低溫性能方面的研究仍較為匱乏。

基于此，本研究采用LPBF和超聲表面滾壓工藝（USRP）制備了具有梯度納米結(jié)構(gòu)的CoCrNi基MEA。USRP能夠賦予材料高質(zhì)量表面和深層梯度微觀組織。該合金在88 K下表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性平衡：斷裂應(yīng)變達(dá)24.6%（較293 K提高106.8%），同時(shí)屈服強(qiáng)度高達(dá)1274 MPa。通過(guò)中斷拉伸實(shí)驗(yàn)和微觀表征發(fā)現(xiàn)，其低溫塑性提升的機(jī)制源于兩方面：一是梯度層中動(dòng)態(tài)回復(fù)受抑制導(dǎo)致的異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化效應(yīng)增強(qiáng)；二是基體區(qū)域因堆垛層錯(cuò)能降低和高流動(dòng)應(yīng)力激活了孿晶/微帶行為。這些發(fā)現(xiàn)為增材制造復(fù)雜部件在低溫應(yīng)用中的高性能化提供了新思路。

圖1. USRP處理后的原始微觀結(jié)構(gòu) (a-c) USRP處理樣品的EBSD圖像。(d) 從表面到500 μm深度的顯微硬度演變。TEM圖像顯示USRP處理后不同深度（0 μm(e)、100 μm(f和g)、200 μm(h)、400 μm(i)和550 μm(j)）的詳細(xì)微觀結(jié)構(gòu)。

圖2. (a) 打印態(tài)和USRP處理樣品在293 K和88 K下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) USRP處理樣品的應(yīng)變硬化率與真實(shí)應(yīng)變曲線。(c) 本合金與其他合金在低溫屈服強(qiáng)度與延展性提升方面的對(duì)比。

圖3. USRP處理樣品在293 K和88 K下的變形微觀結(jié)構(gòu) (a,b) 293 K下10%應(yīng)變的EBSD圖像及對(duì)應(yīng)KAM圖。(c,d) 88 K下10%應(yīng)變的EBSD圖像及對(duì)應(yīng)KAM圖。(e) 293 K下10%應(yīng)變的BF-TEM圖像。(f) 矢量g=111下(e)中高亮區(qū)域的衍射花樣。(g) 88 K下10%應(yīng)變的BF-TEM圖像，顯示變形孿晶(DTs)。(h) DTs和堆垛層錯(cuò)(SFs)的高分辨TEM圖像。(i) 88 K下斷裂樣品的BF-TEM圖像，顯示密集DTs和微帶(MBs)。(j) 未變形和10%變形樣品的中子衍射(ND)圖譜。

圖4. 293 K和88 K下LUR測(cè)試和納米壓痕結(jié)果 (a) USRP處理樣品的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 計(jì)算的HDI應(yīng)力及擬合曲線。(c) 梯度區(qū)和基體區(qū)在不同變形條件下的平均顯微硬度演變。

圖5. 293 K和88 K下變形微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖

文章結(jié)論
本研究通過(guò)激光粉末床熔融（LPBF）結(jié)合超聲表面滾壓工藝（USRP）在CoCrNi基中熵合金中成功構(gòu)建了梯度納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了88 K低溫下優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性平衡（屈服強(qiáng)度1274 MPa，斷裂應(yīng)變24.6%）。其高性能機(jī)制可歸結(jié)為以下三點(diǎn)：

梯度納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同強(qiáng)化：LPBF和USRP共同引入的高密度位錯(cuò)（未變形樣品達(dá)1.12×10^15 m^-2）和晶粒細(xì)化效應(yīng)（梯度層平均晶?？v橫比降至2.17）顯著提升屈服強(qiáng)度，其中位錯(cuò)貢獻(xiàn)416 MPa，晶界強(qiáng)化貢獻(xiàn)182 MPa。

低溫抑制動(dòng)態(tài)回復(fù)：88 K下梯度層的動(dòng)態(tài)回復(fù)被顯著抑制，導(dǎo)致異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化效應(yīng)增強(qiáng)（HDI應(yīng)力增量較293 K提高80%），同時(shí)納米壓痕測(cè)試顯示梯度層硬度持續(xù)上升（對(duì)比293 K的停滯狀態(tài)）。

多重變形機(jī)制激活：低溫下基體區(qū)域因堆垛層錯(cuò)能降低和高流動(dòng)應(yīng)力，激活了孿晶/微帶行為（孿晶密度達(dá)4.86×10^11 m^-2），并與位錯(cuò)（增量2.5×10^14 m^-2）協(xié)同作用，通過(guò)減少位錯(cuò)平均自由路徑和促進(jìn)位錯(cuò)互鎖，提供持續(xù)應(yīng)變硬化。

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https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115885