今日《Nature》：3D打印完美性能组合的共晶高熵合金获突破

研究人员3D打印的共晶高熵合金的高屈服强度(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64nm和151nm的交变bcc和fcc纳米层及其半相干界面对位错滑移作用有很强的相互约束作用。根据Hall-Petch关系估计，这种纳米层合强化对屈服强度的贡献约为1GPa。此外，L-PBF的快速凝固会在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。使用中子衍射测量来确定样品中预先存在的位错密度，在bcc (Pbcc)和fcc (Pfcc)纳米层中的平均位错密度分别高达(7.4 +1.1)x 10^14 m^-2和(5.4 + 0.3)x 10^14 m^-2，导致屈服强度估计增加约280MPa。因此，材料的高屈服强度是通过L-PBF的双相纳米层结构实现的，并通过高密度的打印诱导位错进一步增强。

图2：AM AlCoCrFeNi2.1的拉伸力学性能。（b）图中红色五角星代表本研究的结果，实心标志代表材料打印态性能，空心标志代表材料热处理态性能

图3：通过原位中子衍射研究AM AlCoCrFeNi2.1的变形机理。（a）拉伸方向FCC和BCC特征晶面的晶格应变（lattice strain）随真应力的演变，图中标志和实线分别代表中子衍射实验和晶体塑性有限元模拟结果。（b）拉伸过程中应力在FCC和BCC相中的实时分布。（c）不同应变下合金的中子衍射图谱。（d）通过改进Williamson-Hall方法计算得到的FCC和BCC相位错密度随应变的变化。

L-PBF的异质纳米层结构的一个重要好处是产生大的局部塑性应变梯度，导致强烈的背应力硬化。如原位晶格应变测量所示，塑性屈服始于fcc相，而bcc相保持弹性。来自弹性体心立方相的几何约束可能会导致层状界面附近出现强烈的局部塑性应变梯度，这将通过几何必要位错 (GND) 来适应. 此外，在 cc相塑性屈服后，两个共变形相之间的额外变形不相容性源于它们的塑性各向异性（即fcc和bcc滑移系统的不同方向和电阻），并且也会被GND调节。因此，在fcc/bcc界面附近的 GND的持续积累，与HRTEM观察到的界面位错随负载增加一致，可能会产生强大的背应力46并因此提高材料的流动应力。扩展数据显示了典型的加载-卸载-再加载曲线，具有明显的滞后回线，表明存在显着的包辛格效应。因此，这种强烈的背应力硬化反映了来自L-PBF的异质纳米层结构的有益效果，这与来自传统热机械处理的通过微层合金中的纳米沉淀物的背应力硬化形成对比。

图4：AM AlCoCrFeNi2.1的变形微结构演变。（a-c）不同应变下合金的虚拟明场旋进电子衍射（precession electron diffraction）图，图中红色标志代表BCC纳米片层，绿色标志代表FCC纳米片层。（d-f）不同应变下合金的高倍明场TEM图，图中黄色箭头指明5%应变量下FCC纳米片层中的变形层错（deformation-induced stacking faults），黄色虚线指明FCC-BCC相界面。（g-i）高分辨TEM图显示原子尺度FCC-BCC相界面特征。（j-l）不同应变量下对应的反快速傅里叶变换（IFFT）图，图中黄色圆圈指明刃型位错（edge dislocations）。

总之，研究人员利用L-PBF技术和共晶高熵合金的有利成分效应开发了一类双相纳米片状合金，该合金表现出高屈服强度和高拉伸延展性的卓越组合，超过了其他国家-最先进的3D打印合金。分层的双相纳米结构基序通常可应用于其他共晶高熵合金以改善其机械性能。对3D打印的该合金的强化和硬化行为所获得的机理见解可应用于高性能金属合金的设计，这些合金可开发出丰富多样的复杂多相层状结构，例如铝合金和钛合金。