《Nature》：纳米层状高熵合金的增材制造

文章图片

文章图片

据悉，由美国马萨诸塞大学、佐治亚理工学院、橡树岭国家实验室以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室等七家研究机构联合发表的关于高熵合金增材制造的研究发表在《Nature》上。
增材制造为工程应用逐层生产网状构件。激光粉末床熔合(L-PBF)金属合金的增材制造涉及大的温度梯度和快速冷却，这使得在纳米尺度上的微观结构细化能够实现高强度。然而，通过激光增材制造生产的高强度纳米结构合金通常具有有限的延展性。在本研究中，我们使用L-PBF打印AlCoCrFeNi2.1的双相纳米层状高熵合金(HEAs) ，该合金表现出约1.3吉帕斯卡的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率的组合，这超过了其他最先进的增材制造金属合金。高屈服强度源于面心立方纳米薄片和体心立方纳米薄片交替形成的双相结构的强强化效应;体心立方纳米薄片比面心立方纳米薄片表现出更高的强度和硬化速率。由于在微共晶集落中嵌入双相纳米薄片的分层结构具有较高的加工硬化能力，从而提高了各向同性力学性能，拉伸塑性。对增材制造HEAs变形行为的力学见解对具有特殊力学性能的分层、双相和多相纳米结构合金的发展具有广泛的意义。高性能的获得离不开工艺调整增材制造通常在金属材料中产生具有高度非均匀晶粒几何形状的微结构、亚晶粒位错结构和化学偏析，包括钢、钴基或镍基超级合金、铝合金、钛合金和高熵合金(HEAs) 。共晶HEAs (EHEAs)是一类很有潜能的多主元合金(也称为成分复杂合金) ，它可以形成双相层状集落的层次结构，从而为实现优异的力学性能提供了巨大的潜力。然而，通过常规凝固路线，片层厚度通常在微米或亚微米范围内，这限制了这些EHEAs的可达到强度。相比之下，纳米层和纳米层状金属表现出高强度，但缺点是低延展性。这些材料是通过薄膜沉积或严重的塑性变形制备的，这通常会导致具有强塑性各向异性的高度织构纳米结构，限制了它们的实际应用。在这里，我们利用激光粉末床融合(L-PBF)的极端打印条件和HEA的有利成分效应，在AlCoCrFeNi2.1EHEA的共晶聚集体中以双相纳米薄片的形式产生了一种独特的远离平衡的微观结构(图1) 。这种增材制造的(AM) EHEA表现出强度和塑性的出色结合以及几乎各向同性的力学行为。

上图显示了AM AlCoCrFeNi2.1EHEA的微观结构。 a、打印散热风扇，八极格(支柱尺寸约300μm) ，齿轮(从左到右) 。 b ，打印后AlCoCrFeNi2.1EHEA的三维重建光学显微图。层间边界、熔池边界和激光扫描轨迹分别用蓝色线、橙色线和红色箭头表示。构建方向(BD)是垂直的。 c ，打印后AlCoCrFeNi2.1EHEA的横断面EBSD IPF图，显示了一个放大的局部区域，其中邻近的纳米层状共晶菌落表现出不同的晶体取向。为了更好地显示更细的bcc纳米薄片，插图显示了一个双色EBSD相图， fcc薄片为蓝色， bcc薄片为红色。值得注意的是，由于bcc纳米层的厚度较小，接近EBSD的分辨率极限，因此索引不足(双相纳米层共晶菌落的形态见补充图3) 。 d ，纳米层状结构的二次电镜图。 e bcc和fcc纳米薄片的亮场TEM图像(分别由红点和绿点表示) ，插图分别显示倾斜于区域轴(B)[ˉ111
bcc和[011
fcc的PED模式。 f ，打印后AlCoCrFeNi2.1EHEA中bcc(左)和fcc(右)片层厚度分布。 g HAADF-STEM图像显示bcc片层内的调制纳米结构。 h ，以fcc/bcc界面为中心的100 ×78 × 5 nm3剖面的元素分布图。 bcc片层内的化学波动表现为纳米级富Ni–Al区和富Co–Cr–Fe区。与铸态AlCoCrFeNi2.1EHEAs相比， AlCoCrFeNi2.1EHEAs具有优异的机械性能。打印态样品表现出0.2%偏置的高拉伸屈服强度σ0.2 = 1333±38 MPa ，大大高于铸造态样品的510±15 MPa(图2a) 。 EHEA的层间间距可以通过改变激光加工参数来调整其机械性能，如样品B所示(图2b) 。在给定的激光加工方案下，沿着垂直和水平方向测量了相似的力学性能。这一结果表明，在形状和晶体学上具有几乎随机取向的打印AlCoCrFeNi2.1纳米层状共晶落具有几乎各向同性的力学行为，这与通过其他途径(如热机械处理和定向凝固)产生的高度对准的层状结构的各向异性力学行为不同。

上图显示了AlCoCrFeNi2.1EHEAs的拉伸性能。 a ，打印态和退火态AlCoCrFeNi2.1EHEAs的拉伸应力-应变曲线。曲线图上标有屈服强度(σ0.2)和极限抗拉强度(σu) 。插图显示了拉伸载荷下狗骨形试样的原理图。 b AM AlCoCrFeNi2.1EHEAs与文献中高性能的高强度(σ0.2 > 800 MPa) AM金属合金(包括大块金属玻璃复合材料(BMGCs)、钢、镍基高温合金、钛基合金和HEAs)的抗拉屈服强度与均匀伸长率的比较。实心和空心符号分别表示打印时和退火后样品的特性。该EHEA的高屈服强度(约1.3 GPa)主要源于双相纳米层状结构的强强化效应。平均厚度分别为64 nm和151 nm的bcc和fcc纳米晶层及其半相干界面对位错滑移具有较强的相互约束作用。根据Hall-Petch关系估计，这种纳米层状强化对屈服强度的贡献约为1Gpa 。此外， L-PBF的快速凝固会在打印样品中产生高密度的预先存在的位错，从而产生额外的强化效果。我们使用中子衍射测量来确定打印样品中预先存在的位错密度(图3) 。

《Nature》：纳米层状高熵合金的增材制造

推荐阅读

如何找寻自我

缝纫机调线器怎么安装平车方法如何

强组词强字组词

火笋鸡翅的做法（增肥食谱）

闺女生日快乐祝福语朋友圈

LV请来潮牌设计师做艺术总监，看中的是啥

老虎豆怎么做好吃老虎豆图片怎样弄来吃

暖气有流水声是什么原因

皮球是什么体

手机怎样开通QQ空间

男生发mua说明 mua是什么意思

手指盖凹陷怎么回事

对自己的生活失去掌控咋调整

小米10s怎么没有月亮模式

我想找个偏僻的地方搞养殖！有没有推荐的地方？

南京养老金认证上门服务怎么申请南京市养老金认证

如何评价猪场阉割猪？

最后一个字是豹的成语

泰山散酒怎么样

猫发情的声音(猫发情的叫声)