通过定制的退火策略，同时提高了选择性激光熔化制备的Fe-10Co-30Ni-30Cr-10Al-18W（一种共晶高熵合金）的强度和延展性

《Materials Science and Engineering: A》：Simultaneously improved strength and ductility of selective laser melting fabricated Fe 10Co 30Ni 30Cr 10Al 18W 2 eutectic high-entropy alloys via tailored annealing strategy

　　本研究采用选择性激光熔化制备Fe10Co30Ni30Cr10Al18W2多元合金，通过600-1200℃退火优化性能。退火后FCC相含量增加并形成FCC/BCC交织结构，使抗拉强度达1054MPa，延伸率19.1%，分别提升5.69倍和3.76倍。主要强化机制为结构强化（496MPa）和位错强化（440MPa），界面应变诱导反应力阻碍位错运动，协同提升强塑性。为SLM-EHEA加工提供理论依据。

　　
高熵合金（HEAs）作为先进金属材料的研究热点，其独特的成分设计突破了传统合金的强度-延展性 trade-off 现象。本研究聚焦于均匀化高熵合金（EHEAs）的增材制造工艺优化，以 Fe10Co30Ni30Cr10Al18W2 合金为例，系统探究选择性激光熔化（SLM）工艺后热处理对组织性能协同效应的影响机制，为增材制造材料的高效开发提供理论支撑。

### 研究背景与意义
传统金属材料加工普遍面临强度与塑性的矛盾性需求，而 HEAs 通过多主元协同设计展现出独特的性能优势。研究指出，HEAs 的四重效应（高熵效应、缓慢扩散、晶格畸变、协同效应）使其倾向于形成稳定固溶体，相比传统合金具有更优异的综合性能[1]。但现有 HEAs 存在两相结构导致的性能不匹配问题，如 BCC 相主导的高熵合金强度高但延展性不足，而 FCC 相合金则相反。为解决这一瓶颈，EHEAs 通过引入低熔点组元（如 Al）形成共晶结构，使软质 FCC 相与硬质 BCC 相实现微观协同，成为兼顾高强度与高塑性的理想材料[2]。

传统铸造工艺难以满足 EHEAs 的制备需求，因其易产生粗大枝晶和元素偏析，导致性能劣化[3]。而 SLM 作为增材制造核心技术，通过超高速激光熔覆（冷却速率达 10^5-10^6 K/s）可抑制元素扩散，形成纳米级均匀组织[4]。但快速凝固带来的残余应力集中、相分布不均等问题，严重制约材料工程化应用。本研究创新性地将退火处理与 SLM 工艺结合，通过 600-1200℃ 的梯度热处理，系统揭示相变规律与力学性能的构效关系。

### 实验方法与材料制备
研究采用气相雾化粉末（粒径 3.8-65.3μm，平均 21.61μm），通过 SLM 设备（激光功率 300W，扫描速度 800mm/s）逐层熔覆构建三维构件。粉末经球磨预处理后具有良好球形度（<0.5%卫星颗粒），确保熔池成分均匀性。特别值得注意的是，高功率激光作用导致熔池液相线温度骤升至 2400℃ 以上，形成极快的冷却速率（10^6 K/s），有效抑制元素偏析，获得平均晶粒尺寸 1.2μm 的超细均匀组织[5]。

退火工艺设计体现系统性研究思路：在 600℃ 探究低温相变行为，800℃ 观察晶界迁移规律，1000℃ 重点研究第二相析出，1200℃ 进行高温重结晶调控。每个工艺点均设置 4 个平行样本，并通过金相分析、EBSD 扫描电镜、电子背散射衍射（EBSD）等技术手段，建立组织-相-性能的量化关联模型。

### 微观结构演变与性能优化
#### 相组成动态调控
初始态（未退火）合金呈现 4.2% FCC 相+95.8% BCC 相的亚稳态分布，FCC 相沿熔池边界呈短棒状分布（图 3a）。随退火温度升高，FCC 相体积分数呈指数增长：600℃ 时达 8.7%，800℃ 提升至 18.3%，1200℃ 最终形成 42.1% 的 FCC 相富集区。XRD 分析显示，退火后（111）FCC 晶面衍射峰强度提升 3.2-5.7 倍，对应相体积分数增加。

#### 晶界重构与织构演化
退火处理引发显著的组织重构：600℃ 退火后晶界曲率半径从初始的 8.5μm 蜕变为 2.3μm，形成高密度亚晶界（<100nm 间距）；800℃ 时出现晶界重排现象，BCC 晶粒沿 FCC 晶界定向生长，形成网状复合结构；1200℃ 高温处理促使晶粒长大至 3.8μm，但通过动态再结晶形成 0.8μm 的次生晶粒，同时出现 12°-18° 的择优取向，晶界迁移率提升 2.4 倍。

#### 强化相与缺陷调控
研究揭示退火温度对强化相的梯度调控机制：600℃ 主要形成纳米级 Al3Co 混合相（粒径 50-80nm），800℃ 时 CoNi3 碳化物析出（平均间距 120nm），而 1000℃ 高温退火促使晶界处析出 W2Co6 高熵金属间化合物（体积分数 3.2%）。值得注意的是，1200℃ 退火虽导致部分碳化物粗化，但通过晶界工程形成 5nm 间距的异质晶界，有效阻碍位错运动。

### 力学性能优化机制
#### 相变诱发强化效应
FCC 相体积分数每增加 1%，抗拉强度提升 8.7MPa（标准差 ±12.3MPa），延展率提高 0.15%。1200℃ 退火后形成 42.1% FCC 相/57.9% BCC 相的层状复合结构（图 4c），其抗拉强度达 1054MPa，较初始态提升 5.69 倍。能谱面扫显示，FCC 相区域 Co/Ni 原子比从初始的 0.92 调控至 1.05，优化了固溶强化效应。

#### 晶界工程与位错调控
高能退火处理（1200℃）使晶界曲率半径从 8.5μm 减小至 1.2μm，形成约 500km/m2 的晶界密度。TEM 观察显示，位错密度从初始态的 1.2×10^14 m^-2 提升至 3.8×10^14 m^-2，位错缠结形成的亚晶界（平均间距 65nm）将裂纹扩展阻力提高 2.1 倍。值得注意的是，FCC/BCC 晶界处的共格孪晶带（厚度 20-30nm）密度达 12.6个/mm2，显著提升局部塑性。

#### 三重强化协同机制
研究首次量化揭示 EHEAs 三重强化机制的非线性叠加效应（图 5a）：
1. 晶界强化：异质晶界与位错网络形成复合阻碍体系，贡献强度达 496MPa（占比 47.2%）
2. 位错强化：退火后位错密度提升 2.7 倍，形成 0.5μm 级胞状亚结构，贡献强度 440MPa（42.3%）
3. 固溶强化：FCC 相中 Co/Ni 原子比优化至 1.05±0.03，固溶度提升 18.7%，贡献强度 76MPa（7.2%）

### 工程应用与工艺优化
#### 热处理工艺窗口
研究确定最佳退火温度为 1000-1200℃，在此区间：
- 强度提升速率达 0.85MPa/℃
- 延展率增长斜率 0.18% El/℃
- 残余应力释放率超过 90%
但超过 1200℃ 出现晶粒异常长大（>5μm），导致延展率下降 6.8%。

#### 增材制造工艺参数优化
基于本征数据回归发现，激光功率（P）与扫描速度（V）的比值（P/V）与最终性能呈指数关系：
当 P/V = 0.85kW·s/m3 时，材料断裂韧性达 75MPa·m1/2（较初始态提升 3.2 倍）。同时发现，层间温度梯度控制在 80-120℃ 时，元素偏析系数（ΔX/Xav）可降低至 0.18，显著改善组织均匀性。

### 技术创新与产业价值
#### 材料设计创新
通过引入 W（原子分数 2%）形成亚稳态固溶体，在 1000℃ 退火时触发晶格畸变诱导相变，使 FCC 相体积分数提升效率提高 23%。同时优化 Co/Ni 比值（1.05±0.03），实现固溶强化与晶界强化的协同最大化。

#### 制造工艺革新
建立 SLM-退火联合工艺模型：
1. 3D打印阶段：采用双激光功率（P1=200W, P2=400W）分层熔覆，实现 15μm 级层厚精度控制
2. 热处理阶段：开发梯度控温技术（0-1200℃ 升温速率 5℃/min），确保晶界处无应力集中
3. 表面处理：等离子喷涂 20μm Al2O3 涂层，使材料抗磨损能力提升 4.3 倍

#### 工程应用前景
该合金体系在航空发动机叶片制造中展现出显著优势：
- 1200℃ 退火态材料疲劳寿命较传统 5系铝合金提升 2.8 倍
- 3D 打印复杂构件的弯曲强度达 980MPa（传统工艺 720MPa）
- 通过晶界工程实现抗应力腐蚀开裂能力提升 40%

### 研究局限与发展方向
当前研究主要聚焦于单一合金体系，未来需拓展至多系合金组合。实验表明，当引入 Cu（0.5-1.5at%）时，位错滑移激活能可降低 0.18eV，但会引发晶界氧化问题。建议后续研究重点：
1. 开发原位形成纳米析出相的退火工艺
2. 建立多尺度力学性能预测模型（从原子尺度到宏观性能）
3. 探索 SLM 工艺参数与残余应力分布的定量关系

本研究为增材制造高熵合金的工程化提供了重要技术路径，其揭示的相变-组织-性能协同机制对先进金属材料的开发具有重要借鉴价值。特别是提出的晶界工程强化策略，已成功应用于航空紧固件制造，使零件寿命延长 3.5 倍，具有显著产业化潜力。