上善院王刚教授、贾延东副研究员和新加坡国立大学王浩教授：增材制造析出强化型高熵合金在超精密加工过程中的异常机械化学效应
近年来，研究人员探索了在3D打印过程中使用沉淀强化和具有高密度位错的精细微观结构来生产具有性能可调节的高熵合金。然而，3D打印高熵合金固有的表面粗糙度和极少的加工性能研究限制了3D打印高熵合金的工程化应用。
2023年7月12日，上善院王刚教授、贾延东副研究员与新加坡国立大学王浩教授合作在《Journal of Materials Science & Technology》发表“Abnormal mechanochemical effect in ultraprecision machining of an additively manufactured precipitation-strengthened high-entropy alloy”，系统研究了选区激光熔化制备Fe29.3Co28.7Ni28.6Al6.8Ti6.6(at.%)高熵合金的显微结构特征、机械性能和超精密切削加工性：单FCC相蜂窝状组织(SPC)、双析出强化组织（DPS）和单析出强化组织（SPS）。贾延东副研究员和王浩教授为论文共同通讯作者。
与SPC组织高熵合金相比，DPS组织高熵合金的屈服强度和极限拉伸强度显着提高，但延展性却显着降低。由于L21析出相明显粗化，SPS组织高熵合金表现出与SPC组织高熵合金相似的机械性能。超精密微切削加工试验表明，SPC组织高熵合金具有明显的机械化学效应，即快干油墨的引入显著降低了其切削力，但DPS组织高熵合金则不然。因此，异常的发现显示尽管SPS组织高熵合金与SPC组织高熵合金具有同样出色的塑性，但SPS组织高熵合金的切削力波动可以忽略不计，表明存在不同寻常的机械化学效应。研究发现，切削过程中SPS组织高熵合金纳米晶化引起的切屑强度增强和延展性降低导致其变形以剪切为主，而SPC组织高熵合金的切屑以折叠为主，这其中涉及材料表面能和切屑间界面摩擦的降低。研究结果为增材制造析出强化型高熵合金的加工性能研究奠定了基础，并有望加速增材制造高熵合金的工程化应用。
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图1 增材制造高熵合金的TEM分析。(a-c)、(d-g) 和 (h-k) 分别是SPC、DPS和SPS组织高熵合金的微观结构分析。(a) TEM图像显示典型的胞状结构；(b) 扫描透射电子显微镜(STEM)图像显示高密度位错(HDD)；(c) 跨越胞状结构边界的成分分布曲线，位置如(b)中标记的黑线所示；(d) TEM图像显示退火后由L12和L21型析出相组成结构，分别如图像(e、f)所示；(g) L12和L21颗粒的尺寸分布；(h) TEM图像显示长大的胞状结构和L21析出相颗粒；(i) 高分辨率TEM(HR-TEM)图像显示体积分数极小~2.1% 的纳米L12颗粒；(j) TEM图像显示L21颗粒；(k) SPC（灰色）和SPS（蓝色）组织高熵合金的胞状组织直径尺寸分布。插图显示SPS组织高熵合金中L21析出相颗粒尺寸分布。
图2 (a) 超精密切削实验示意图；(b-d) 超精密微槽切削实验的切削力；随着切削深度从3 μm、6 μm、9 μm增加到12 μm，SPC组织高熵合金(b)、DPS组织高熵合金(c)和SPS组织高熵合金(d)的切削力演变比较；黑色底线的曲线代表着墨工件的切削力响应。
图3 (a) 超精密切削试验中切屑组织示意图，其中虚线圆圈表示未变形区域，虚线框表示切屑组织作为切削变形结构；(b-d) SPC组织高熵合金；(e–g) SPS组织高熵合金；切削前(b，e)和切削后(d，g)显微组织示意图；(c, f) 切屑TKD-IPF图。
当前工作发现了一种通过选区激光熔化和随后退火来设计、制造和加工具有各种析出相强化的高熵合金方法。结合XRD、SEM、EBSD和TEM技术，对不同退火条件下的微观结构演变和析出行为进行了表征。通过SEM、TKD和TEM研究了室温下的机械性能和超精密切削加工性以及相应的缺陷结构演变。半原位切削实验和切屑微观结构的后续表征提供了对当前析出强化高熵合金切削力响应的基本了解，这对于进一步了解增材制造析出强化型高熵合金的超精密加工中的机械化学效应至关重要。得出以下结论。
(1) 通过设计有序纳米析出相的形成，三种微观结构设计策略改变了FCC高熵合金相组成，即单FCC相(SPC)组织高熵合金、双（有序L12和L21纳米颗粒）析出强化(DPS)组织高熵合金和单（有序L21纳米颗粒）析出强化(SPS)组织高熵合金。
(2) 与SPC组织高熵合金相比，DPS组织高熵合金的屈服强度从695.3 MPa显着提高到1241.6 MPa，提高了78.6%，极限抗拉强度从1002.9 MPa提高到1625 MPa，提高了62%，但牺牲延展性从28.8%降至10.5%。与SPC组织高熵合金相比，SPS组织高熵合金保持了与SPC组织高熵合金相似性能，即屈服强度为~723.9 MPa，极限强度为~1130 MPa，均匀伸长率为~24.7%。
(3) SPC组织高熵合金显示了油墨引起的显着机械化学效应。然而，析出强化高熵合金，例如DPS和SPS组织高熵合金，对机械化学效应的反应不明显。不同的切削力响应表明不同的切削变形机制，即从SPC组织高熵合金的切屑折叠到DP和SPS组织高熵合金的切屑剪切变形。
(4) 油墨的引入刺激了SPC组织高熵合金中的机械化学效应。连续切屑折叠在切割过程中将墨水引入到两个相邻折叠界面的根部。然后界面摩擦力减小，折叠幅度增大，并且折叠界面可以延伸到切屑的根部。此外，对切屑内部微观结构的分析发现，原来的六方胞状结构被挤压，转变为柱状晶。切削过程中，微裂纹很容易从切屑侧面沿着柱状晶边界萌生并扩展，这是造成切削力下降的主要原因。
(5) SPC和SPS组织高熵合金均具有相当优异的塑性，却表现出不同的切削变形机制。切屑微观结构表征表明，SPS组织高熵合金在切削过程中显示组织纳米化，这在切削过程中赋予切屑较弱的裂纹阻止能力和损伤容限。
原文引用
Xu L, Bai Y, Guo Y, Ren C, Tan X, Jia Y, Wang G, Wang H. Abnormal mechanochemical effect in ultraprecision machining of an additively manufactured precipitation-strengthened high-entropy alloy [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 170: 221-237. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.045
图文: 贾延东
审核: 韦习成 王刚 陆恒昌
