具有三种或三种以上初级元素的多组分合金（MCA，或称为高/中熵合金）作为一类新型金属材料，由于其优于许多仅具有一种或两种初级元素的传统合金。据报道，许多现有的 MCA 系统在较宽的温度范围内表现出优异的强度-延展性协同作用。例如，在室温和低温下，CoCrNi MCA 可以很容易地达到千兆帕级的屈服强度，同时即使在 77 K 下上保持显着的高断裂韧性。这一事实主要归因于多种变形机制的激活，位错滑移、孪晶和位移马氏体转换，尤其是在层错能相对较低的 MCA 中。此外，在几种 MCA 中还发现了不同于传统合金的特殊位错行为，有助于获得此类合金的理想力学性能。因此，很容易推断出 MCA 的强度和延展性高度依赖于其微/纳米结构，了解它们的结构-性能关系可以通过调整合金微观结构来制定更合理的强化和增韧设计策略。
来自中南大学的Kefu Gan等提出了一种使用常规激光粉末床熔融（LPBF）方法增材制造的双原子 CoNiV 多组分合金（MCA），并通过简单的后效处理获得了合金的特殊强度-延展性协同作用。在打印合金中实现了明显的分层微观结构，包括异质晶粒结构，以及由钒局部偏析导致的细胞壁组成的胞墙结构。除了在 298 K 室温下出色的力学性能外，在 77 K 低温下变形的时效试样还获得了千兆帕的屈服强度 （> 1.1 GPa） 和超过 40% 的均匀伸长率。时效合金的这种特殊性能主要归因于局部化学有序 （LCO）、合金基体中元素波动的加剧以及晶内细胞结构壁上钒偏析的加剧，这些结构可以与位错强烈相互作用。因此，具有极高密度的平面滑移位错，即可以承受和传递高应变的大量滑移带，在变形微观结构中占主导地位，从而有效地强化和增韧时效合金。
作者使用常规激光粉末床熔融（LPBF）打印方法生产了等原子 CoNiV多组分合金。本研究中使用了氩雾化 CoNiV 预合金粉末。这项工作中进行的打印策略的示意图如图1所示。激光光斑直径约为100 μm，激光熔化以 160 W 和 800 mm/s 的扫描速度进行打印。粉末层厚度控制在打印约 ~20 μm，阴影间距设置为 ~0.1 mm。为了降低残余应力，在每个相邻打印层之间，激光扫描方向逆时针旋转 ~67°（见图 1b）。打印的样品在氩气气氛下的腔室内自然冷却至室温。研究使用的球形粉末直径尺寸在 10μm~55 μm 的范围内，平均值为 37 μm（如图 1e）。
图 1 本研究中的扫描策略和合金粉末形态。（a）用于生产本多组分合金的激光床粉末熔融（LBPF）印刷方法的示意图。（b） 显示了打印中采用的激光扫描策略。（c） 用于拉伸实验的试样的尺寸。（d）从至少三张SEM图像中测量了用于LBPF打印的预合金粉末的形态特征和这些粉末的相应尺寸分布。（f） 合金粉末内部主要元素分布的EDS图。
随后在室温（298 K） 下使用电子万能试验机以 1×10 3s 1的恒定应变速率进行单轴拉伸试验。使用常规的数字图像或关系（DIC）方法获得每个试样在拉伸试验期间相应的局部应变演变。在 77K的每次拉伸试验之前，将试样浸入液氮中15分钟以上。在两种温度条件下测试了三个相同的样品，以确保实验数据的可重复性。为了评估打印合金分层微观结构中的背应力效应，作者还进行了加载-卸载-再加载（LUR）测试。在 LUR 循环中使用1×10 4s 1的加载速率以及 30 N/s 的卸载速率，直到伸长率达到 30 % 或试样断裂。
此外，在打印样品的三个平面上对晶粒尺寸和晶界取向差角 （GB） 进行了统计，结果如图 2c-d 所示。图 2c1-e1 的直方图进一步验证了打印合金中存在异质晶粒结构，因为三个平面的平均晶粒尺寸的标准差相当大。作者还研究了合金的织构，如图 2c3-e3 的极图 （PF） 所示。根据 PF 图，俯视图上的等轴晶粒和两个侧面上的外延晶粒都表现出相对集中 （001） 晶体取向的趋势。
图2 打印时合金试样的初始微观结构。（a）通过电子背散射衍射（EBSD） 表征沿激光扫描轨道的多晶粒结构和平行于建筑方向的 X-Z 和 Y-Z 平面上的柱状晶粒结构获得的三维代表性反极图（IPF）。（a）中框架区域的典型背散射电子（BSE）图像显示了（b）等轴和（c2）合金基体中产生的柱状结构（c1-e1、c2-e2、c3-e3 分别表示打印合金的 X-Y、Y-Z 和 X-Z平面的晶粒尺寸分布和织构强度的极图（PFs）。
作者使用 TEM 表征了老化 MCA 样品的微观结构特征。图3a 显示了沿 [112] 区域轴拍摄的时效合金中代表性区域的 BF-STEM 图像。与未老化的观察结果相比，时效合金基体中的位错含量大大增加。此外，在图 4b 中发现，在图 4a 中检查区域的选择性区域电子衍射 （SEAD） 图谱中还出现了一组额外的漫射盘。这一事实表明，老化的 MCA 的面心立方 （FCC） 结构晶粒包含一些局部化学序 （LCO）。由于许多MCA的亚稳性质，在高温下促进原子扩散的驱动下，每种类型的初级元素之间独特的亲和力导致LCO 的产生，从而影响基质的能量并改变 MCA 的物理性质。因此，由此推断，与未老化的相比，时效合金的力学性能应该发生变化。
图3 时效合金试样初始微观结构特征的TEM表征。（a）沿[112]区轴拍摄的时效试样合金基体的典型BF图像，（b）相应的 SAED 模式，以及（c）EDS分析的局部元素分布。（d）包含蜂窝结构的合金基体的代表性BF图像。（e）-（d）中标记的本地域的缩放视图以及（f）相应的EDS地图。（g）-（e）中标记的区域的EDS线扫描结果，在富含V的细胞壁上划线。（h）-（e） 中框的细胞结构内部域的高分辨率 STEM （HR-STEM） 图像，以及相应的快速傅里叶变换 （FFT） 模式，以及 FCC 晶格和 LCO 区域的逆 FFT 图像。
分别在室温 （298 K） 和低温 （77 K） 条件下使用单轴拉伸实验研究了打印和老化 MCA 的力学性能。图 4a 显示了在不同温度下测试的两批试件的代表性工程应力-应变曲线。对于 298 K 的情况，打印和老化的 MCA 试样的屈服强度值分别为 780 MPa 和 930 MPa。打印试样的均匀断裂伸长率 （~41%） 略高于老化处理后的对应试样 （~33%）。这一事实表明，采用时效处理可以显著提高目前 LBPF 生产的合金的屈服强度，而不会严重恶化其变形能力，这主要是由于上述微观结构特征的改变，尽管金属材料的强度和延展性之间的传统权衡仍然存在。此外，对于77 K拉伸实验，发现打印的 MCA 试样的屈服和极限拉伸强度分别提高到 970 MPa 和 1380 MPa。这一结果与先前报道的工作一致，其中许多 FCC 结构的 MCA 在进行低温时强度显著增强。值得注意的是，在 77 K 下变形的时效试件的屈服和极限抗拉强度分别提高到 1100 MPa 和1510 MPa。这些强度值也远高于相同温度下的打印强度值。这一事实进一步验证了改变的微观结构在老化后会引起显着的强化效果。值得注意的是，老化试样在 77 K 下的均匀断裂伸长率大大提高到约40%，甚至超过了打印时的值（~35%）。因此，可以推断出，在低温下变形的当前老化的 MCA 中实现了同时增强的强度和延展性的协同作用，这与许多传统合金（如某些不锈钢）完全不同、钛合金和镍基合金，在低温下表现出屈服强度提高但伸长率降低。
图4 在 298 K 和 77 K 下加载的打印和老化 MCA 试样的力学响应。（a） 在不同温度条件下测试的MCA试样的代表性工程应力-应变曲线。实线表示在 273 K 下获得的拉伸实验结果，虚线表示在 77 K 时获得的拉伸实验结果。（b）从（a）中的数据获得的相应真实应力系曲线及其应变硬化速率曲线。（c）与之前报道的其他 MCA 相比，即 HfNbTaTiZr、Ni2CoCrNb0.2-AM、FeMnCoCrN1.8、Al0.6CoCrFeNi、FeCoNiCrTi0.2、V10Cr10Co30Fe50、Al0.6CoCrFeNi、FeCoNiCrTi0.2、 FeCoMnCrNi-AM、FeNiCr-AM、CrMnFeCoNiAl0.6-AM、CoCrNi、Fe22.5Co23.5Mn22Ni24Cr6C2、V10Cr15Mn5Fe35Co10Ni25、FeNiCoCr、Fe40Mn40Co10Cr10、FeCoMnCrNiMo0.2、FeCoMnCrNi。
在这项工作中，作者提出了一种增材制造的等原子 CoNiV 多组分合金，并使用后效处理显著提高了合金的强度和延展性。在 77 K 的低温下变形的时效试样获得了千兆帕的屈服强度和超过 40% 的均匀伸长率，在之前报道的许多合金的力学性能中占主导地位。这种卓越的性能主要归因于局部化学有序的产生、合金基体中元素波动的加剧以及晶内细胞结构壁上钒偏析的加剧。因此，具有极高密度的位错滑移带主导了时效试样的变形微观结构，增强了合金的强度和增韧性。
相关研究成果以“Local element segregation-induced cellular structures and dominant dislocation planar slip enable exceptional strength-ductility synergy in an additively-manufactured CoNiV multicomponent alloy with ageing treatment”为题发表在International Journal of Plasticity上（VOL. 182, September 2024, 104112）论文共同第一作者是Kefu Gan 和 Weiying和共同通讯作者是Kefu Gan、Weiying、Ruidi Li和Yong Zhang。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104112
