激光增材制造无钴高强度＆高韧性双相高熵合金AlCrFe2Ni2 ：激光增材制造无钴高强度＆

原标题：激光增材制造无钴高强度＆高韧性双相高熵合金AlCrFe2Ni2
基于AlCrFe2Ni2为基础的双相，纳米尺度的高熵合金采用激光直接金属沉积进行了制备。激光加工的工艺参数的变化以及沉积策略的不同，均用来进行沉积制备，其显微组织在沉积态和热处理状态下的显微组织也进行了研究。层间区域呈现出双相的组织，主要由超细晶粒的面心立方(face-centeredcubic(FCC))板条孕育在纳米尺度的体心立方(body-centeredcubic(BCC))上。激光直接金属沉积(lasermaterialdeposition(LMD))的快速冷却导致BCC相分解成有序和无序的纳米尺度的显微结构。硬且脆的BCC相会导致在LMD的制造过程中产生较大的裂纹倾向。适宜的扫描工艺，配以后热处理来解决这一挑战。在900°C＠6h的退火热处理，并伴随着随炉冷却过程，材料呈现出均匀的双相超细FCC/BCC双相显微组织，其强度高达2310MPa ，同铸造的双相钢相比较，铸造的双相钢的强度只有1720MPa ，同时该LMD沉积的合金在热处理之后还具有优异的韧性，在弯曲应变的条件下断口收缩率为20% 。

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▲图１.A样品在不同的预热处理温度的条件下进行制造的时候的界面组织，基材温度分别为:室温(RT）(A),300°C(B),和450°C(C),在每一种条件下均存在缺陷。
高熵合金(high-entropyalloys(HEAs))的概念可以说是合金发展历史上的一大重要要突破。同传统的合金相比，这一合金探究了多组元元素在摩尔比几乎相等的条件下或者近似相等的条件下的最大混合熵，却又避免了形成脆性的金属间化合物。因此，不同的HEA材料，同铸造的合金相比较，均同时呈现出高强度和高韧性以及耐腐蚀和耐磨损的性能。因此，这些合金在制造成需要经受复杂的应力的泵叶轮叶片等场合具有非常大的潜力，离心和弯曲混合的应力需要高强度和足够的韧性才能满足这些应用场合。在众多的高熵合金中， AlCrCoFeNi为基础的HEA合金,据报道,在耐摩擦磨损和高强度与高韧性等方面，均具有优异的性能。从而导致采用这一合金来制造泵部件方面呈现出巨大的兴趣。

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▲图２.样品B在基材温度为室温下(A))和450°C(B)的条件下制造后的显微组织,可见在室温下存在裂纹，而在450°C的时候没有裂纹。
一般来说， HEA合金在设计的时候会存在三个及以上主元素，将会促进在凝固的时候形成固溶。这一假设，然而，依靠熔化后的快速凝固来抑制扩散和凝固过程中的金属间化合物的形成。因此，激光为基础的增材制造，如直接金属沉积(LMD) ，其冷却速率可以达到10exp(4)K/s ，成为制造HEA的一种非常有趣的制造工艺。不同的研究报道了LMD制造AlCrCoFeNi为基础的涂层，结果发现可以得到细小晶粒的固溶组织和无裂纹的沉积层。而且，薄壁墙和小块体积的样品在采用LMD进行制备的时候也获得了细小的显微组织,在沉积态，该组织由BCC和B2相所组成。在热处理温度高于800°C的时候，会形成软的FCC相，减少了以前报道的脆性和拉伸强度，增加了其韧性。

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▲图３.LMD沉积的样品在基材预热温度为450°C的条件下的SEM照片:(A)样品A ， (C)样品B是900°C＠6的条件下进行热处理的结果；(B)样品A在热处理之后进行EBSD相分析的结果。双相的显微结构FCC/BCC清晰可见，经过分析其组成为46%/53%(FCC/BCC)
尽管HEA材料具有优异的性能,但在该材料中由于使用了Co元素而引人瞩目，这是因为Co元素，据报道，存在价格昂贵，对环境和人体有害等缺点。有人研究了采用ＬＭＤ进行AlCoFeNi和AlCrFeNi制备梯度变化的材料，来研究其成分的变化， AlCoxCr1–xFeNiHEA的系统的元素变化表明了Co对材料显微组织变化的影响。晶粒内（纺锤形）在BCC基材中分解成BCC/B2相，其x=0.2和0 。另外，无Co的HEA ，名称为AlCrFe2Ni2已经被报道，其显微组织呈现出纺锤形分解的dB2/BCC相和ＦＣＣ相，材料也呈现出一系列优异的性能。据报道，铸造的AlCrFe2Ni2相可以获得的极限拉伸强度为1228MPa ，在压缩实验时是韧性为17% 。甚至建议这一数值已经超过了钛合金在铸造状态下的结果。有报道指出，无Co的HEA合金的成分为AlxCrCuFeNi2(0<x<1.5) 。据报道，在ＬMD制造的时候，增加Ａｌ元素含量（(Ａｌ元素含量x=1.3和1.5,vs0)）可以增加其显微硬度，表现出其强度的增加。在当前的研究中，一个几乎等摩尔的AlCrFe2Ni2合金，其成分为Al9Cr17Fe36Ni38(wt.%)用来进行LMD制造,来研究其在沉积态和热处理状态下的显微组织和材料的性能。