《极端制造》 I 综述：选区激光熔化制备的高熵合金的微观结构和性能：《极端制造》I综述：选区激

原标题：《极端制造》I综述：选区激光熔化制备的高熵合金的微观结构和性能
文章导读
高熵合金（HEA）具有良好的极端环境力学性能和抗腐蚀、催化、储氢等功能性能，具有广泛的应用前景。这些应用领域多涉及高比表面积的孔隙、薄壁结构，力学拓扑优化的周期结构等复杂结构，因此HEA需要合适的成型技术以满足复杂结构制造需求。传统的机加工技术成型高强高韧性材料非常困难，复杂的空心、周期一体化结构也几乎不能实现。增材制造则可以满足复杂结构制造需求。选区激光熔化（SLM）作为应用最广泛的复杂结构增材制造技术具有同步合成和成型材料的优点，克服了传统加工方法的局限性，图1展示了SLM装置和流程示意图。此外， SLM冷却速率可以达到104-106K/s ，远远超过传统工艺，因此， SLM可以产生更细的晶粒和晶粒内部的亚结构，从而提高最终构件的整体力学性能。
现在HEA的SLM研究逐渐增多，正成为HEA与增材制造两大领域研究人员关注的热点。总结现有的研究成果，理清其中的共性科学问题，发掘新的科学问题，将有利于研究人员更好的把握研究重点。近期，武汉大学工业科学研究院张臣副教授和刘胜教授团队在《极端制造》期刊（InternationalJournalofExtremeManufacturing,IJEM）上发表《选区激光熔化制备高熵合金的微观结构和性能综述》，系统介绍了SLM打印HEA的显微组织特点、机械性能、组织-性能关系与理论模型，并为未来的研究指明新的方向。

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▲图1（a）SLM工艺的原理图解；（b）SLM的处理过程
高熵合金SLM的粉末原料
目前，制备HEA粉末的方法主要包括机械混合和预合金化。机械混合方便获得自由比例的HEA粉末，但易导致元素偏析。预合金粉末比机械混合粉末分布更均匀，可防止组分分离，从而使样品结构均匀，性能稳定。因此，预合金粉末被广泛用于目前关于HEA的SLM的研究中。粉末的形态和尺寸也会影响加工质量。由于球形粉末的流动性更好，最稠密的SLM处理样品是从球形颗粒而不是异型颗粒中获得的。使用球形粉末还可减少飞溅，从而减少微观结构缺陷。此外，粒度分布的跨度也对粉末流动性具有显着影响。当跨度较小时，流动性更好，样品的相对密度更高。因此，与其他合金类似，使用球形且尺寸均匀的HEA粉末更有利于提高成型质量。
宏观与微观组织特征
SLM打印HEA的结构特点主要体现在两方面：宏观缺陷和微观结构。空洞型缺陷是SLM中最常见的缺陷，如未凝固的颗粒和孔洞。作为一种成分复杂的新型材料， HEAs易产生孔隙缺陷，且其是造成密度损失的主要原因。通过改变打印参数提高体积能量密度能够有效的抑制孔洞的产生，如图2所示。裂纹是另一种常发的缺陷，与合金成分有密切联系，如增加AlCrCuFeNi中Ni元素的成分可以有效的抑制裂纹，如图3所示。由于HEA元素种类较多，调控元素成分控制裂纹的研究将会非常丰富。此外，元素偏析、夹渣等典型的增材制造缺陷也会出现在SLM打印的HEA中。
由于SLM工艺具有复杂的热循环和极高的冷却速率（106K/s），其制备的HEA晶粒的尺寸低至几微米，且可以产生很高密度的位错、亚晶界、纳米孪晶等，如图4所示，这将极大提升HEA机械性能。另一个显著特点是SLM打印的HEA更容易产生析出相。传统工艺制造的HEA需要较长时间的热处理来产生析出相，而SLM打印HEA晶格的多界面或多缺陷特征为析出相提供了理想的生长载体，只需较短时间的热处理或不热处理即可得到析出相。合金成分对于性能的影响至关重要。此外，对SLM打印的HEA进行后续热处理，还可以产生孪晶（如图5所示）等微观结构。

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▲图2（a）不同激光能量密度下的样品密度；（b-e）123J/mm3体积能量密度下的样品中孔隙尺寸形态的XCT图像

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▲图3
▲图3不同Ni元素含量对SLM成型AlCrCuFeNix裂纹的影响:(a)x=2.0(明显裂纹);(b)x=2.5;(c)x=2.75;(d)x=3.0(几乎无裂纹)

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▲图4
▲图4SLM打印CoCrFeMnNi高熵合金的亚结构、位错和析出物；（a）亚结构的高倍散射电子(BSE)成像；（b-c）位错网络和析出物的电子通道衬度成像(ECC)(b)胞状结构(c)柱状结构