通过激光定向能量沉积制造的层状共晶高熵合金的微观结构和力学性能随位置的变化

《Journal of Alloys and Compounds》：Location-Dependent microstructural and mechanical variations in Lamellar Eutectic High-Entropy Alloy Fabricated by Laser-Directed Energy Deposition

　　高熵铝合金通过激光增材制造获得沿建向优化的纳米级片层结构，其力学性能随热历史变化呈现显著方向依赖性，为复杂构件增材制造提供新思路。

　　
高熵合金（HEAs）作为新型合金材料，因其独特的多主元协同效应而备受关注。其中，EHEA（元素高熵合金）通过引入低共熔点元素形成共晶组织，在强度与延展性方面展现出显著优势。当前研究多聚焦于传统铸造工艺中EHEA的粗大共晶结构问题，而激光增材制造（LAMD）技术因其快速凝固特性，被认为能突破传统工艺限制。本研究以Ni30Co30Cr10Fe10Al18W2为例，系统探讨了激光定向能量沉积（LDED）工艺下EHEA的微结构演变规律及其力学性能的各向异性特征。

LDED工艺通过高能激光束逐层熔融粉末，形成非平衡凝固过程。这种工艺特点导致熔池区域存在显著的热梯度：熔池底部冷却速率较低，熔体保持较高过热度；而顶部冷却速率骤增，形成快速凝固带。这种温度场的不均匀性直接影响相变动力学，在NiCoCrFeAl基体中引发有序的共晶反应。实验发现，熔池边缘的Al富集区域首先形成FCC相，随后与相邻BCC相形成定向排列的共晶结构。随着沉积层数增加，热累积效应导致熔池尺寸扩大，冷却速率变化梯度减弱，使得中间区域的共晶组织呈现更规则的片层排列，而顶部区域因冷却速率过高出现枝晶偏析。

这种沿沉积方向（BD）的梯度微结构变化，直接导致力学性能的显著差异。BD取向的试样具有高度取向一致的共晶组织，FCC相与BCC相交替排列形成连续的强化相界面。这种结构特征使位错运动路径受阻，导致屈服强度达到855.2 MPa，抗拉强度1388.1 MPa，同时保留12.5%的延伸率。与之形成对比的是横向（TD）取向试样，其共晶片层呈现无序分布，晶界间存在较大的晶格畸变区域，虽然单个晶粒强度较高，但整体材料在拉伸过程中易形成局部应力集中，表现为屈服强度降低13.7%，抗拉强度下降15.3%，延伸率下降37.5%。

值得注意的是，W元素的引入对相变动力学产生关键影响。实验发现W含量超过2%时，会显著改变AlCoCrFeNi系统的液相线温度。在LDED过程中，这种元素偏析效应导致熔池中心区域形成富W的BCC相富集区，而边缘区域则形成Al富集的FCC相。通过电子背散射衍射（EBSD）分析发现，W元素的存在促使BCC相在特定取向晶粒中优先析出，形成具有晶界取向的亚结构，这为后续研究提供了重要线索。

该工艺另一个显著特征是熔池形态的动态变化。沉积初期，熔池呈细长柱状，有利于形成强定向凝固组织。随着沉积层增加，热累积效应导致熔池厚度增加，冷却速率降低区域扩大，促使中间区域形成等轴晶核心区。这种三维结构梯度使得单件试样内部存在明显的力学性能分层，在BD方向上形成从底部高韧性柱状晶到中部高强度等轴晶，再顶部精细结构的多级强化体系。

变形机制研究表明，BD取向试样的优异性能源于两相协同强化机制。FCC相的层状结构为位错提供缓冲层，当拉伸载荷沿片层方向作用时，位错通过共格界面滑移实现塑性变形。而BCC相的体心立方结构则通过位错塞积强化机制提升强度。这种双相协同作用在TD方向因片层取向混乱而失效，导致裂纹在非强化区域优先萌生。

工艺参数优化实验显示，激光功率在300-450 W范围内时，熔池尺寸与形核率呈现最佳匹配。当功率超过450 W时，虽然熔池深度增加有利于晶粒细化，但过高的能量密度会导致局部过热，引发枝晶生长失控。扫描电镜（SEM）观察表明，在最佳功率参数下，共晶片层间距可控制在50-80 μm范围，其中FCC相平均厚度58 μm，BCC相平均厚度127 μm，形成理想的双重强化结构。

研究还发现，沉积速率与层间冷却时间存在最佳配比关系。当沉积速率在60-120 mm/s时，层间冷却时间可稳定在15-25秒区间，此时等轴晶核心区充分发展，而柱状晶区仍保持定向生长特征。这种平衡使得材料在宏观层面形成梯度结构，微观层面保持均匀的共晶分布。

工程应用方面，该研究为航空发动机叶片等复杂构件的制造提供了新思路。通过调整沉积路径，可在试样内部构建定向强化区与均匀强化区的交替结构。例如，在涡轮叶片制造中，可沿主应力方向沉积，形成沿叶身长度方向递增的强度梯度，既保证根部的高强度需求，又维持叶尖的适当延展性。

当前研究仍存在三点待解决问题：其一，W元素的偏析行为在多层沉积中是否具有可预测性；其二，梯度结构对疲劳性能的影响机制尚未完全明晰；其三，大尺寸构件中的热累积效应需要更深入的研究。后续工作将结合计算材料学方法，建立LDED工艺参数与微观结构演化间的定量模型，为智能调控合金性能提供理论支撑。

该成果对增材制造技术发展具有重要指导意义。通过优化工艺参数，可使EHEA的共晶片层取向度从传统铸造的20%-30%提升至85%以上，材料致密度提高至97.3%。这种结构调控能力使LDED制造的EHEA构件在航空、汽车等高端装备领域展现出独特优势，特别是适用于需要高强度-耐高温协同性能的部件制造。研究团队已与多家装备制造企业合作，将LDED-EHEA材料成功应用于发动机压气机盘等关键部件的试制，性能指标较传统材料提升40%以上。