激光粉末床熔融制备异质结构CoNiV中熵合金实现强度-塑性的协同提升

　　针对传统铸造中熵合金(MEAs)强度-塑性难以协同提升的难题，研究人员通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备了具有异质结构的等原子比CoNiV合金。研究发现由位错墙、氧化物颗粒和元素偏析构成的层级胞状结构可协同阻碍位错运动，使材料获得890 MPa屈服强度、1180 MPa抗拉强度和39.84%断裂延伸率的优异组合。该工作为增材制造制备高性能多主元合金提供了新范式。

　　

在材料科学领域，如何打破金属材料强度与塑性此消彼长的"魔咒"一直是研究者们追逐的圣杯。多主元合金(MCAs)因其独特的晶格畸变和鸡尾酒效应展现出非凡潜力，但传统铸造的面心立方(FCC)结构合金如FeCoCrNiMn等普遍存在屈服强度不足(<500 MPa)的瓶颈。虽然通过钒置换等策略可将CoNiV中熵合金(MEAs)强度提升至1 GPa，但这些方法依赖复杂的后处理工艺，存在微观结构不稳定、各向异性等问题。

为解决这一难题，中国的研究团队创新性地采用激光粉末床熔融(LPBF)技术制备了等原子比CoNiV合金。这项发表在《Journal of Alloys and Compounds》的研究揭示，LPBF特有的超高冷却速率(10⁶
-10⁸
K/s)可原位构建由位错网络、氧化物颗粒和元素偏析组成的层级胞状结构。这种"天然纳米复合材料"通过多重机制协同阻碍位错运动，实现了强度与塑性的完美平衡。

研究采用气体雾化法制备CoNiV预合金粉末，通过LPBF工艺参数优化获得致密试样。借助XRD、SEM、EBSD和TEM等多尺度表征手段，系统分析了材料的相组成、晶体取向和缺陷结构。室温拉伸测试结合原位观察揭示了变形机制，并通过EDS和APT等技术解析了元素分布特征。

"初始微观结构"部分显示，LPBF打印样品呈现单一FCC结构，但存在明显的各向异性。EBSD分析发现晶粒沿构建方向择优生长，平均尺寸约35 μm。高倍TEM观察到独特的胞状亚结构，尺寸范围为0.5-2 μm，胞壁处富集Cr、O元素形成的纳米氧化物。

"胞状结构形成机制"部分阐明了LPBF快速凝固过程中，成分过冷导致胞状偏析，同时热应力诱导形成高密度位错墙(密度达10¹⁵
m^-2
)。这些位错墙与氧化物颗粒共同构成三维障碍网络，通过应力场相互作用有效钉扎位错。

"力学性能与变形机制"部分表明，材料屈服强度达890 MPa，远超传统铸造MEAs。变形初期以平面滑移为主，随着应变增加逐渐形成交滑移和位错缠结。胞壁处的元素偏析产生局部晶格畸变，与Lomer-Cottrell锁共同强化了位错阻碍效果。

研究结论指出，LPBF技术可一步实现传统工艺需要多道工序才能获得的复合强化效果。胞状边界约束、位错相互作用和氧化物沉淀的协同效应，使材料同时具备接近1 GPa级的强度和近40%的延伸率。这项工作不仅揭示了LPBF加工多主元合金的变形物理机制，更证明了增材制造在制备可定制力学性能的层级结构金属系统中的独特优势。该成果为开发新一代高性能结构材料提供了新思路，对航空航天、能源装备等领域的轻量化设计具有重要指导意义。