与铸态同类产品相比 ， AM AlCoCrFeNi2.1 EHEAs具有优异的机械性能 。 印刷样品表现出σ0.2=1333±38 MPa的高0.2%的偏移拉伸屈服强度 ， 这显著高于铸态样品的510±15 MPa ， 如图2a 。 它还显示了在高流动应力下的高应变硬化率 ， 如扩展数据图4 ， 导致约14%的大的均匀伸长率和相应的极限抗拉强度σu = 1640±38 MPa 。 拉伸断裂后的样品显示出带有微凹痕的“杯状和锥状”断裂表面 ， 见补充图6 ， 这表明是韧性破坏 。 我们的EHEA的层间距可以通过改变激光加工参数来调整它们的机械性能 ， 如图2b和补充部分1中样品B所示 。 对于给定的激光处理方案 ， 沿垂直和水平方向测量了相似的机械性能 ， 见扩展数据图5 。
这一结果表明 ， 打印出的AlCoCrFeNi2.1纳米片层共晶团在形状和晶体学上具有几乎随机的取向 ， 具有几乎各向同性的机械行为 ， 这不同于通过热机械处理和定向凝固等其他途径产生的高度对齐的片层结构的各向异性机械行为 。 AM EHEAs的机械各向同性也与其他AM金属合金的典型机械各向异性形成对比 ， 后者倾向于形成具有强晶体结构的柱状晶粒结构 。 此外 ， 随后的热处理允许我们进一步调整微结构和相关的机械性能 ， 如图2b 。 例如在800℃下热退火1小时后 ， 获得了超过20%的均匀伸长率 ， 屈服强度约为1GPa在600℃退火5小时后 ， 屈服强度和极限拉伸强度分别增加到约1.6GPa和1.9GPa ， 同时均匀伸长率为7.5% 。 通过后退火 ， 快速凝固EHEAs中微结构的高度可调性有助于实现如此广泛的强度-延性组合 ， 在后退火期间 ， 可能发生各种固态相变 ， 如沉淀、相序、层状粗化和再结晶 ， 见补充第4节 。 我们的AM EHEAs与其他高性能AM合金(σ0.2>800 MPa)的拉伸性能的直接比较见图2b和补充章节5 。 很明显 ， 我们的AM EHEAs表现出优异的强度-延展性组合 ， 超过了最先进的AM合金 。
我们的打印出的EHEA的高屈服强度主要源于双相纳米层状结构的强大的强化效应 。 平均厚度分别为64 nm和151 nm的交替的bcc和fcc纳米片层 ， 连同它们的半共格界面 ， 可以对位错滑移施加强的相互限制 。 这种纳米片层强化对屈服强度的贡献约为1 GPa ， 根据Hall-petch关系式估算 。 此外 ， 来自L-PBF的快速凝固在印刷样品中产生了高密度的预先存在的错位 ， 从而产生了额外的强化效果 。 们使用中子衍射测量来确定印刷样品中预先存在的位错密度 ， 如图3 。 体心立方和面心立方纳米片层中的平均位错密度分别高达(7.4±1.1)×1014m2和(5.4±0.3)×1014 m2 ， 从而使屈服强度提高了约280 MPa 。 因此 ， 我们的打印EHEA的高屈服强度是由来自L-PBF的双相纳米片层结构实现的 ， 并通过高密度的印刷诱导位错得到进一步增强 。
通过将原位中子衍射实验与双相晶体塑性有限元(DP-CPFE)建模相结合 ， 研究了高应变硬化的起源以及我们打印的EHEA的大拉伸延展性 。 张力下的原位中子衍射测量揭示了纳米片层共晶团中fcc和bcc相的不同{hkl结晶族中晶格应变的演变 。 图3a显示了面心立方和体心立方相的几个代表性{hkl反射的沿加载方向的晶格应变εhkl与样本水平真实应力(σ)的关系 ， 见补充图11 ， εhkl与σ的横向关系 。 基于这些中子衍射数据 ， 我们根据模拟的晶格应变响应校准了我们的DP-CPFE模型 ， 其与实验测量值非常匹配 。 重要的是 ， 校准的DP-CPFE模型使我们能够揭示应力分配和载荷转移对纳米片层共晶团中的共变形fcc和bcc相在渐进屈服和硬化期间的影响 。
更具体地说 ， 我们通过将纳米层状共晶团中fcc和bcc相的晶格应变响应分为三个阶段来分析它们的渐进屈服和硬化行为 ， 如图3a所示 。 在阶段I (σ< 1100 MPa) ， fcc和bcc相中的所有晶体学反射都经历了弹性变形 。 由于单晶纳米片的弹性各向异性 ， 每条σ-εhkl曲线的斜率在不同的反射中有所不同 。 在阶段Ⅱ(σ≈1100–1300 MPa) ， 面心立方相的结晶族经历了渐进屈服 ， 而体心立方相的结晶族保持弹性 。 在阶段Ⅱ的四个有代表性的面心立方反射中 ， 沿加载方向的{220晶格应变首先偏离线性 ， 转而向上；这种软化反应表明这种反射的塑性屈服的开始 。
同时 ， 沿加载方向的{200晶格应变也偏离了线性关系 ， 而是向下变化 。 如DP-CPFE模拟所证实的 ， 这种硬化响应主要来自于从塑性{220反射到弹性{200反射的负荷削减 。 随着σ的增加 ， 从{111、{311到{200反射依次发生渐进屈服 ， 导致它们的非线性晶格应变响应 。 相比之下 ， 在阶段II的{110、{211和{321的三个bcc晶体学反射中 ， 它们的晶格应变响应保持线性 ， 但是每个σ-εhkl曲线的e相应斜率相对于阶段I发生了变化 ， 这表明载荷从逐渐产生的fcc反射转移到弹性bcc反射 。 层状EHEA的这种载荷分配行为不同于层状珠光体钢 ， 在珠光体钢中 ， bcc铁素体首先屈服 ， 然后将载荷转移到正交渗碳体 。 在第三阶段(σ>1300 MPa) ， bcc相中的晶体族变得可塑 ， 因此纳米片层共晶团中fcc和bcc相的所有晶体学反射都表现出非线性晶格应变响应 。
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