顶刊Nature:中子衍射,增材制造纳米片层多级结构实现高熵合金强韧性
发布时间:2023-07-19   阅览次数:3868次

来源:3D科学谷

共晶高熵合金往往具有多级的层片状结构,其强度与片层厚度直接相关,传统的凝固方式只能产生微米和亚微米级的层片结构,因而限制了其强度。纳米片层结构可以很好地增强高熵合金的强度,但同时这种纳米结构会限制材料的塑性和延展性。科学家们尝试了许多方法来解决强度与塑性之间的矛盾,如薄膜沉积,严重塑性变形等方法。但是这些方法导致了强织构的纳米结构,进而产生明显的各向异性,限制了材料的应用场景。

马萨诸塞大学阿默斯特分校的Wen Chen课题组和佐治亚理工学院的Ting Zhu课题组合作,创造性地将激光粉末床熔融(LPBF)增材制造技术用于生产AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金,实现了双相纳米片层多级共晶结构,实现了屈服强度(1.3 GPa)与延伸率(14%)的同步提升,远高于其他类似的增材制造合金,并且样品具有很好的各向同性,适用于更多的工程应用场景。其中,作者利用中子衍射技术,深入研究了共晶的fcc相与bcc相之间的应力转移现象,以及变形过程中两相中位错密度的变化规律。

相关论文发表在顶刊Nature。本期谷.专栏,将分享该论文中的关键研究结果。

article_alloy论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8

block LPBF制备纳米片层共晶结构

作者利用激光粉末床熔融(LPBF)工艺制备了具有纳米片层多级结构的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征显示,双相纳米片层由交替的体心立方(bcc)和面心立方(fcc)纳米层组成,厚度分别为λbcc = 64 ± 24 nm和λfcc = 151 ± 39 nm,相邻片层之间的间距λ=215 nm。在fcc和bcc相之间确定了经典的Kurdjumov–Sachs取向关系,即{111}fcc||{110}bcc和<110>fcc||<111>bcc。

article_alloy_1图:增材制造共晶高熵合金纳米片层共晶结构
a 增材制造打印样品; b 光镜图像3D重构打印样品; c EBSD结果
d 二次电子图像形貌; e TEM明场图像; f 片层厚度统计结果
g HAADF-STEM图像; h ATP结果

block 纳米片层多级结构实现强塑性

增材制造的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有优异的机械性能,3D打印态合金的屈服应力可以达到1333MPa,拉伸极限为1640MPa,均匀延伸率为14%,并且在高流动应力时具有更高的加工硬化率。经800 °C,1h的热退火之后的样品,均匀伸长率超过20%,屈服强度达到了1GPa;持续600 °C,5h的退火后样品的屈服强度和极限抗拉强度增加到大约1.6 GPa和1.9 GPa,均匀延伸率则下降为7.5%。

这种高强度来自于纳米尺度的片层结构,两相之间的半相干界面对位错的滑移施加了较强的约束,根据Hall-Petch关系,这种纳米片层提供了约1 GPa的屈服强度,而且LPBF工艺也会引入更高的位错密度,提升加工硬化能力。而高韧性来自于纳米片层结构的bcc相的异常高应变硬化能力,其硬化能力甚至超过了片层的fcc相,这主要来源于fcc与bcc纳米片层的半相干界面对位错的阻碍和存储能力。

article_alloy_2图:增材制造共晶高熵合金拉伸性能
a 打印态及退火态AM AlCoCrFeNi2.1拉伸曲线;
b 屈服强度及均匀延展率对比

article_alloy_3图:fcc和bcc纳米片层界面处位错堆积
a-f TEM明场像; g-i HRTEM图像; IFFT结果

block 中子能够做什么?

article_alloy_4图:中子衍射反映fcc与bcc晶格应变演变

article_alloy_5共晶高熵合金两相中位错密度分析

作者基于中子衍射技术,获取了共晶高熵合金中的fcc和bcc两相体积分数、晶格失配、晶格应变等重要的微观参数信息,同时采用modified Williamson-Hall (mWH)方法分析全谱衍射峰的宽化以得到两相分别的位错密度,说明了两相加工硬化能力的提升,为阐述超高强度-韧性背后的机理提供了支持。

文章来源于:中子科学实验室

论文引用信息:

Ren, J., Zhang, Y., Zhao, D. et al. Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing. Nature 608, 62–68 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04914-8