华东理工Scripta Mater：增材制造+超声滚压，打造航天级超低温高性能合金

来源：科学拾光

开发具有优异低温性能的增材制造合金，有助于推动低温应用领域复杂几何结构部件的发展。

本研究通过超声表面滚压工艺（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度纳米结构。所得合金在88 K下展现出显著的强度-塑性平衡：断裂应变达24.6%（是293 K时的2.07倍），屈服强度高达1274 MPa。其超高屈服强度源于增材制造和USRP工艺诱导的高密度位错，而塑性提升的机制则来自两方面：一是梯度层中动态回复抑制导致的异质变形诱导硬化效应增强；二是88 K下基体区域孪晶/微带行为的激活（由堆垛层错能降低和高流动应力共同促成）。

1. 梯度纳米结构设计
通过超声表面滚压工艺（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度纳米结构，显著提升了材料在88 K低温下的强度（屈服强度1274 MPa）与塑性（断裂应变24.6%，较室温提高106.8%），突破了传统强度-塑性倒置关系。

2. 低温变形机制创新
发现低温下梯度层的动态回复抑制和基体区域孪晶/微带行为的协同作用：前者增强异质变形诱导（HDI）硬化效应，后者因堆垛层错能降低和高流动应力激活多重变形亚结构（位错、层错、孪晶），共同促进应变硬化。

3. 工艺协同优化策略
结合激光粉末床熔融（LPBF）与USRP技术，实现高密度位错和梯度纳米结构的协同调控，为增材制造复杂几何部件在低温应用中的高性能化提供了新途径。

研究背景
高/中熵合金（HEAs/MEAs）近年来受到广泛关注，其中具有面心立方（FCC）结构的中熵合金（MEAs）在低温下展现出优异的断裂韧性和塑性。然而，FCC MEA的低强度限制了其工程应用，亟需通过进一步优化以实现低温下强度与塑性的平衡。激光粉末床熔融（LPBF）作为主流的增材制造（AM）技术，能够为复杂几何部件提供近净成形解决方案，更重要的是，其引入的纳米级胞状结构可显著提升材料强度。

梯度纳米结构被认为是缓解强度-塑性倒置关系的有效途径。例如，Pan等通过在HEA表面构建梯度胞状纳米结构，实现了强度与塑性的协同提升，其机制主要源于梯度纳米层中堆垛层错（SFs）和变形孪晶（DTs）的渐进形成。近期研究表明，增材制造结合表面改性技术（SMTs）可改善材料的强度-塑性平衡与疲劳抗性，这主要归因于SMTs引入的梯度纳米结构及表面缺陷闭合效应。然而，关于具有梯度纳米结构的增材制造合金在低温性能方面的研究仍较为匮乏。

基于此，本研究采用LPBF和超声表面滚压工艺（USRP）制备了具有梯度纳米结构的CoCrNi基MEA。USRP能够赋予材料高质量表面和深层梯度微观组织。该合金在88 K下表现出优异的强度-塑性平衡：断裂应变达24.6%（较293 K提高106.8%），同时屈服强度高达1274 MPa。通过中断拉伸实验和微观表征发现，其低温塑性提升的机制源于两方面：一是梯度层中动态回复受抑制导致的异质变形诱导（HDI）硬化效应增强；二是基体区域因堆垛层错能降低和高流动应力激活了孪晶/微带行为。这些发现为增材制造复杂部件在低温应用中的高性能化提供了新思路。

图1. USRP处理后的原始微观结构 (a-c) USRP处理样品的EBSD图像。(d) 从表面到500 μm深度的显微硬度演变。TEM图像显示USRP处理后不同深度（0 μm(e)、100 μm(f和g)、200 μm(h)、400 μm(i)和550 μm(j)）的详细微观结构。

图2. (a) 打印态和USRP处理样品在293 K和88 K下的工程应力-应变曲线。(b) USRP处理样品的应变硬化率与真实应变曲线。(c) 本合金与其他合金在低温屈服强度与延展性提升方面的对比。

图3. USRP处理样品在293 K和88 K下的变形微观结构 (a,b) 293 K下10%应变的EBSD图像及对应KAM图。(c,d) 88 K下10%应变的EBSD图像及对应KAM图。(e) 293 K下10%应变的BF-TEM图像。(f) 矢量g=111下(e)中高亮区域的衍射花样。(g) 88 K下10%应变的BF-TEM图像，显示变形孪晶(DTs)。(h) DTs和堆垛层错(SFs)的高分辨TEM图像。(i) 88 K下断裂样品的BF-TEM图像，显示密集DTs和微带(MBs)。(j) 未变形和10%变形样品的中子衍射(ND)图谱。

图4. 293 K和88 K下LUR测试和纳米压痕结果 (a) USRP处理样品的真实应力-应变曲线。(b) 计算的HDI应力及拟合曲线。(c) 梯度区和基体区在不同变形条件下的平均显微硬度演变。

图5. 293 K和88 K下变形微观结构演化示意图

文章结论
本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）结合超声表面滚压工艺（USRP）在CoCrNi基中熵合金中成功构建了梯度纳米结构，实现了88 K低温下优异的强度-塑性平衡（屈服强度1274 MPa，断裂应变24.6%）。其高性能机制可归结为以下三点：

梯度纳米结构的协同强化：LPBF和USRP共同引入的高密度位错（未变形样品达1.12×10^15 m^-2）和晶粒细化效应（梯度层平均晶粒纵横比降至2.17）显著提升屈服强度，其中位错贡献416 MPa，晶界强化贡献182 MPa。

低温抑制动态回复：88 K下梯度层的动态回复被显著抑制，导致异质变形诱导（HDI）硬化效应增强（HDI应力增量较293 K提高80%），同时纳米压痕测试显示梯度层硬度持续上升（对比293 K的停滞状态）。

多重变形机制激活：低温下基体区域因堆垛层错能降低和高流动应力，激活了孪晶/微带行为（孪晶密度达4.86×10^11 m^-2），并与位错（增量2.5×10^14 m^-2）协同作用，通过减少位错平均自由路径和促进位错互锁，提供持续应变硬化。

全文链接
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115885