陈文&朱廷团队《Nature》:3D打印高性能纳米片层共晶高熵合金!

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3D科学谷在《加强机制、耐腐蚀性、氧化行为、磁性、氢储存 l 3D打印HEA高熵合金》一文中分享过到目前为止,研究人员已经提出了多种AM加工HEA的强化机制,如晶粒细化、固溶强化, 位错网络强化和降水硬化。

由马萨诸塞大学阿默斯特分校机械和工业工程副教授陈文和佐治亚理工学院机械工程教授朱挺等科学家发明了一种3D打印双相纳米结构的高熵合金,其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料。这一突破可以为航空航天、医药、能源和交通领域的应用带来更高性能的部件。这项于8月3日发表在《自然》杂志上。

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

Valley_HEA© 3D科学谷白皮书

block 更优异的力学性能

该成果首次报道了通过激光3D打印技术来制备具有高强韧力学性能及各向同性特征的双相纳米片层共晶高熵合金,并通过三维原子探针,原位中子衍射,晶体塑性有限元模拟等表征手段揭示了合金的强韧化机理。

Article_people论文通讯作者:陈文、朱廷;第一作者:任杰、张寅。其他合作单位包括美国德州农工大学(Texas A&M University),美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory),美国莱斯大学(Rice University),美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)和美国加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)。

选区激光熔化技术(Laser powder bed fusion, L-PBF)中极高的温度梯度和超快的冷却速率,可以有效地细化晶粒从而实现材料的高强度。目前L-PBF技术制备的纳米合金具有高强度但拉伸塑性低。材料强度和塑性的相互制衡(strength-ductility tradeoff)是材料科学中的普遍难题。通过将合金设计的焦点从相图的角落转移到中心,从而实现广阔的成分和相空间,高熵合金的出现为合金设计和材料开发提供了一种新的范式。

特别地,作为一种有潜力的高熵合金,共晶高熵合金具有双相片层状异构组织,展示出比传统合金更优异的力学性能。传统铸造法制备的共晶片层组织在微米或亚微米尺度,严重限制了材料的强度。相反,纳米片层组织具有高强度但塑性较低。另外,纳米片层组织目前主要通过薄膜沉积和大塑性变形等方法制备,较强的织构会导致材料存在各向异性的力学行为,限制了高熵合金在实际生产中的应用。

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因此,美国麻省大学陈文团队(blogs.umass.edu/wenchen/)利用L-PBF技术制备出高性能的双相纳米片层AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。该材料展示出优异的强塑性匹配能力(屈服强度>1.3 GPa,且均匀延伸率大于14%),优异的强塑性匹配能力明显优于目前公开报道的3D打印技术制备的其它合金。同时,利用原位中子衍射揭示了应力在不同晶面及FCC和BCC相中的实时分配情况及两相位错密度的演变。佐治亚理工学院朱廷团队(https://www.me.gatech.edu/faculty/zhu-1)开发了双相材料晶体塑性有限元模型,首次揭示了BCC纳米片层罕见的显著加工硬化行为。

多尺度非平衡态纳米片层组织实现强度塑性协同效应。激光选区熔化打印过程中的极高温度梯度和冷却速率使AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金形成了多尺度非平衡态组织:具有随机织构的微米尺度共晶团(eutectic colony)中分布着 BCC+FCC 纳米片层结构(平均片层间距:~215 nm),BCC 片层中的调幅分解进一步导致纳米尺度化学异构。共晶团的随机晶体学取向和生长方向有助于实现材料的各向同性力学特性。

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图1:AM AlCoCrFeNi2.1的多尺度非平衡态组织表征。光学显微组织像和EBSD结果表明共晶团(eutectic colony)具有随机织构(random texture)。HAADF和APT表征证实了BCC纳米片层中的化学调幅(chemical modulation)。

article_Nature_3图2:(a)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。

BCC纳米片层罕见的显著加工硬化行为有助于提高材料的塑性。传统BCC纳米金属由于缺乏应变硬化行为而展现出有限的塑性。在这项研究中采用原位中子衍射、双相晶体塑性有限元模拟及透射电镜等手段均证明BCC纳米片层比FCC纳米片层具有更高的位错密度增殖速率及加工硬化速率。变形过程中FCC片层及半共格片层界面的约束、具有不同取向的相邻共晶团及共晶团界面的约束、和BCC片层中的纳米尺度化学异构都有助于提高BCC纳米片层的应变硬化能力,从而提高材料的塑性

article_Nature_4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。

article_Nature_5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)。

该研究揭示了利用激光3D打印特有的热物理场特性及高熵合金的多主原特性设计高性能双相/多相,异质纳米结构的思路。纳米片层组织特有的强韧化机理可有效指导高性能铝合金及钛合金多相片层结构设计。

共晶高熵合金的巨大前景

关于3D打印共晶高熵合金,3D科学谷在《(三/上)硬度、拉伸性能 l 机械性能 l 3D打印HEA高熵合金:微观结构和性能综述》分享过最近的前沿研究包括使用不同的3D打印-增材制造技术制造共晶HEA 高熵合金。由于超细的共晶层间距和层状菌落,SLM选区激光熔融3D打印的Al18Co30Cr10Mo1Ni30W1共晶HEA高熵合金表现出优异的力学性能,室温屈服强度和极限抗拉强度,均匀伸长率分别在1000 MPa、1400 MPa和20%左右,达到最高所有3D打印-增材制造的 HEA 的强度,这表明共晶 HEA高熵合金在增材制造领域具有巨大的应用前景。

关于高熵合金的进一步发展,3D科学谷在《(五)当前的挑战和未来的研究方向 l 3D打印HEA高熵合金》专栏中分享过考虑到大多数增材制造技术在很短的时间内热源与粉末之间的相互作用体积非常小,结合与材料性能和冶金过程相关的多种参数,使得在熔池内不同区域的观察和表征根据目前的实验技术非常困难。为了解决这个问题,应该考虑将涉及计算材料工程、机器学习技术和人工智能、计算机视觉和数据挖掘的综合分析和数值模拟方法引入这个3D打印HEA高熵合金有前途的研究领域。

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