西工大蘇海軍團隊《JMST》：激光粉末床熔融共晶高熵合金快速凝固組織演變行為

1.背景介紹

共晶高熵合金(EHEA)是一類極具發展前景的雙相高熵合金，以高強度相和軟塑性相交替排列的復合結構實現了強度和塑性的良好匹配，已成為金屬結構材料領域的研究前沿。近年來，利用激光粉末床熔融(LPBF)制備高強塑超細晶共晶高熵合金的研究引起材料學者的廣泛關注，得到了飛速發展。一直以來，建立凝固組織特征與工藝參數之間的密切關聯，是實現材料預期性能的關鍵前提，并已經在傳統金屬材料體系展開了廣泛探索。然而，針對共晶高熵合金這一新型金屬結構材料，尤其在激光增材制造快速凝固條件下，其組織特征與參數相關性的系統研究仍存在明顯不足。為進一步推動激光增材制造共晶高熵合金快速應用化發展，系統探索其快速凝固組織演化行為，證實通過LPBF實現定制化EHEA凝固組織的可行性具有重要意義。

2.成果介紹

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了關于激光粉末床熔融AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金快速凝固組織演變行為的研究，重點聚焦晶粒結構和層片共晶在寬掃描速率范圍內的演變過程，并利用有限元瞬態溫度場模擬，揭示了熔池內柱狀晶向等軸晶轉變(CET)行為，建立了激光工藝參數、凝固條件及微觀組織特征之間的關聯關系。研究結果顯示，AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金呈現共晶胞結構，其內部為超細層片組織。通過調整掃描速度，熔池內共晶胞由長柱狀向等軸狀轉變，而層片共晶組織基本保持不變。通過結合實驗數據與模擬結果，建立了用于描述微熔池內CET轉變的凝固過程圖譜，當掃描速度從550 mm/s增加至1500 mm/s時，由于溫度梯度降低及G/R減小，CET轉變趨勢顯著增強。相關工作以題為“Rapid solidification microstructure evolution behavior of AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloys fabricated by laser powder-bed fusion”的研究論文發表在Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030225010801

3.圖文解析

沉積態AlCoCrFeNi2.1 EHEA微熔池內以細長共晶胞為主，共晶胞內呈現典型的FCC/B2層片共晶組織形貌。在熔池內，共晶胞以及胞內FCC/B2層片組織的生長方向與最大熱梯度方向基本一致，即垂直于熔池邊界向熔池中心生長。然而，在激光高斯能量分布下微熔池呈半圓形，快速凝固過程中固液界面非平直推進，使得熔池內共晶胞及層片組織形成了隨機的排列方向。為了深入了解AlCoCrFeNi2.1 EHEA快速凝固行為，進一步探討了不同激光工藝參數下FCC/B2層片組織特征的演變。圖1為激光功率300W、掃描速率為550~1500mm/s范圍內，FCC/B2層片組織特征演變行為。結果表明，在較大的激光能量輸入窗口下，熔池內均主要由超細層片組織構成，未觀察到其他初生相形成，說明FCC/B2層片共晶耦合生長在較寬的快速凝固速率范圍內均能實現。隨掃描速率增加，FCC/B2層片間距呈現輕微降低的趨勢。與顯著的掃描速率變化相比，層片組織隨掃描速率增加而細化的程度幾乎分布在誤差棒范圍內。

圖1 不同掃描速率下獲得的AlCoCrFeNi2.1EHEA SEM圖: (a) 550mm/s; (b) 600 mm/s; (c) 650 mm/s; (d) 700 mm/s; (e) 800 mm/s; (f) 1000 mm/s; (g) 1200 mm/s; (h) 1500 mm/s

圖2為掃描速率在550~1500mm/s范圍內樣品的EBSD掃描結果。當激光功率一定，在低掃描速率，即高激光能量輸入下，深熔池中柱狀晶沿最大熱流方向生長，柱狀晶的長軸近乎垂直于BD，如圖2 (a)所示。隨掃描速率逐漸增加，激光能量輸入降低，熔池內晶粒形態由長柱狀向等軸狀轉變，熔池邊界逐漸難以分辨?；贓BSD掃描結果對晶粒的平均直徑和長寬比進行統計，統計結果進一步證實當激光能量輸入減小時，熔池內晶粒尺寸逐漸減小，且長寬比輕微降低，熔池內以大量等軸晶為主。因此，隨掃描速率增加，熔池內等軸晶逐漸取代細長的柱狀晶，表明熔池內CET轉變趨勢愈加顯著。

圖2不同掃描速率下獲得的AlCoCrFeNi2.1EHEA EBSD結果 (a) 550mm/s; (b) 650 mm/s; (c) 800 mm/s; (d) 1000 mm/s; (e) 1500 mm/s

通常認為，溫度梯度(G)和凝固速率(R)的比值決定了快速凝固過程中的過冷條件，從而影響凝固界面不穩定性和形成的晶粒形貌。雖然凝固晶粒特征圖能夠由CET極限方程導出，但為了建立晶粒結構與激光加工參數、凝固條件之間的關聯，需要通過有限元模擬獲得不同激光工藝參數下熔池溫度場分布特征。圖3展示了在不同掃描速率下固液界面處G、R以及冷卻速率(G×R)的空間變化情況。首先觀察到，在任意掃描速率下，G始終在熔池底部達到最大值，這是由于底部熱量有效地傳導到了熔池下方較冷的未熔基底區域。G在熔池尾部區域（靠近熔池自由表面）達到最小值，此處熔融材料與相鄰已凝固材料相互作用，散熱條件相對較弱。相反地，隨著固液界面接近熔池表面，R逐漸增大，接近掃描速率達到最大值。G×R與R呈現正相關，從熔池底部到熔池頂部逐漸增大。此外，隨著掃描速率增大，熔池溫度梯度呈降低趨勢，最大梯度由2.5×107K/m下降到1.0×107K/m，而熔池內冷卻速率隨掃描速率的變化較小。

圖3 單道熔池溫度場分布模擬結果: (a) 3D視圖; (b) v=550mm/s, (c) v=650mm/s, (d) v=700mm/s, (e) v=800mm/s，(f) 1000 mm/s; (g) 1500 mm/s

在層片表征結果中，觀察到層片組織隨掃描速率增大而細化的程度并不明顯，但熔池底部和頂部普遍存在層片間距差異，如圖4所示。首先考慮熔池內冷卻速率G×R的分布是主導原因，然而模擬結果顯示，冷卻速率由熔池底部至頂部逐漸增大，與層片間距的觀察結果并不能相互印證。除了G、R等關鍵凝固參數，微熔池內的熔體對流通過決定熔體傳熱及傳質過程，同樣對微觀組織形貌及組織尺度產生重要影響。因此，熔池內層片間距產生差異的原因應與劇烈熔體對流影響溶質遷移行為有關。

圖4 層片間距演變行為: (a) SEM圖, (b) 熔池底部和頂部層片間距隨掃描速率的變化

在激光熔融粉末過程中，反沖壓力極大地抑制熔池自由表面，驅動了底部強烈的熔體流動。在熔池底部，劇烈對流整體上傾向于使排出的溶質在熔池內充分混合，提高液相線溫度，導致局部凝固速率加快，促進溶質捕獲和細層片組織的產生。在熔池凝固后期，熔體溫度降低，熔體對流明顯減弱，固液界面前沿溶質富集，細層片組織向粗層片組織演變(圖5)。因此，熔池內層片間距的變化主要受對流溶質再分配的控制。而在1500mm/s掃描速率下，完全溶質截留發生，表明擴散限制凝固向無擴散凝固轉變。凝固平界面最終引起無偏析的溶質均勻分布，如圖6所示，該組織特征已被研究證實能夠有效抗裂紋擴展。

圖5 熔池凝固示意圖: (a) 熔池凝固初期; (b) 熔池凝固末期

圖6 1500mm/s下制備合金樣品的SEM圖: (a) 區域1; (b) 區域2

為了厘清快速凝固過程中熔池凝固前沿的演變行為，將統計的不同掃描速率下固液界面處的凝固參數繪制在AlCoCrFeNi2.1CET轉變圖上，如圖7所示。從圖中可以看出，快速凝固過程中晶粒形態演變由初始的柱狀晶向等軸晶發展。在550~700mm/s的掃描速率下，熔池完全凝固時仍處于兩種晶粒混合形成區域。當掃描速率增加至800mm/s時，在熔池凝固結束時實現了完全等軸晶的形成。而在掃描速率1500mm/s下，CET轉變在熔池開始凝固階段即刻發生。該模型結果與實驗觀察結果高度一致，驗證了有限元模擬的可靠性，同時證實了通過工藝參數優化調控晶粒結構的可行性。

圖7 激光粉末床熔融制備AlCoCrFeNi2.1凝固組織晶粒特征圖

4.結論與展望

本文通過實驗表征和有限元模擬探討了LPBF制備AlCoCrFeNi2.1微觀組織演變行為及其對應的快速凝固條件，建立了熔池內CET轉變、凝固參數和掃描速率之間的關聯關系。該研究證實了在LPBF過程中利用工藝參數優化實現按需調控微觀組織特征的可行性，為通過精確的微觀結構設計來優化力學性能奠定了基礎框架。

5.通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業大學長聘二級教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標兵、陜西省金屬學會優秀科技工作者，擔任陜西高校青年創新團隊學術帶頭人、陜西重點科技創新團隊帶頭人和先進高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷、半導體復合材料、有機薄膜太陽能電池、生物醫用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技術與理論等。主持包括國家重點研發計劃項目，國家自然基金重點、優青等30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表SCI論文200余篇。擔任中國有色金屬學會青年工作委員會副主任委員、中國機械工程學會材料分會委員會委員、陜西省金屬學會副理事長、陜西省有色金屬學會副理事長，以及陜西省納米科技學會常務理事。獲授權中國發明專利60余項以及3項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西省科學技術一等獎、二等獎，中國交通運輸協會科學技術二等獎，中國材料研究學會科學技術二等獎，寧波市科技進步一等獎，陜西高?？茖W技術研究優秀成果特等獎，陜西省冶金科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎等多項獎勵。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。