导读：本研究通过直接能量沉积（
DED
）的创新制造方法，研究开发具有更强机械性能的新型高熵合金（
HEAs
）。创建可析出的核壳沉淀强化
HEA
，这种
HEA
表现出独特的多级梯田状滑移波增韧机制，是一种同时提高强度和延展性的新方法。所开发的
HEA
具有优异的机械性能，包括高屈服强度、极限拉伸强度和卓越的延展性。这些性能的提高归功于由独特的微结构特征激活的多级梯田状滑移波增韧机制。这种增韧机制涉及滑移系统的连续激活，核壳析出物周围的应力集中和随后滑移波在材料中的传播促进了滑移系统的激活。这些滑移波的梯田状模式增强了材料的塑性变形能力，在保持高强度水平的同时提供了显著的增韧效果。微结构特征与滑移波增韧机制之间的协同作用是
HEA
实现强度与延展性显著平衡的关键。多级梯田状滑移波增韧机制的引入为设计强度和延展性兼备的
HEA
提供了新的途径。
不断扩大的高熵合金领域因其非凡的机械性能和在尖端工程中的潜在应用而持续吸引着材料科学家的目光。
高熵合金代表了一种有别于传统合金的创新材料。高熵合金的特点是成分复杂，通常至少由五种主要元素以几乎等摩尔的原子比例混合而成。
这种独特的合金设计理念挑战了以单一主要元素进行合金化的传统方法，为先进材料工程开辟了新的可能性。目前，大多数
HEA
部件的制造主要依靠真空电弧熔炼和铸造等传统方法。增材制造技术，尤其是直接能量沉积（
DED
）技术的发展为高熵合金的制造带来了全新的视角，为
材料加工和应用领域
带来了新的挑战和机遇。然而，尽管在高熵合金的理论和实验方面取得了重大进展，但
通过
DED
快速成型技术优化其微观结构和性能仍然是一项艰巨的挑战，尤其是在实现材料的高强度和高延展性方面
。
我们对利用直接能量沉积法制造的
Fe28.7Co28.7Ni28.6Al7Ti7
高熵合金
(HEA)
的微观结构演变和机械性能进行了全面探索。
这项研究的一个重要方面是在直接能量沉积
Fe28.7Co28.7Ni28.6Al7Ti7
高熵合金的过程中系统地探索工艺参数。激光功率、扫描速度和粉末进给速率的微调对于获得最佳微观结构特征和机械性能至关重要。这种迭代探索过程不仅完善了我们对
DED
技术的理解，还确定了影响合金最终性能的关键参数。除了通过直接能量沉积取得的进步，我们的研究还引入了一种基于多级梯田状滑移波的创新增韧机制。这种机制旨在提高合金的机械性能，涉及微结构中的受控位错运动。
多级梯田状滑移波的引入提高了合金的抗变形能力和韧性，解决了某些高熵合金脆性带来的难题，并为定制其机械响应提供了一种新方法。
该研究由上海大学
王刚教授
，
穆永坤教授
，
贾延东教授
等人联合完成。
相关研究成果以“
Metastable core-shell precipitation strengthened high-entropy alloys
fabricated by direct energy deposition with multi-stage terrace-like slip wave toughening
”发表在
Journal of
Materials Science & Technology
上
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224006212
图 1. (a) FCNAT-B4 和粉末顶面和侧面的 X 射线衍射（XRD）图。(b) 从 40° 到 52° 的 X 射线衍射图谱，聚焦于 (111) 和 (200) 峰区。
图 2. (a) FCNAT-B4 的 OM 图像，显示顶部表面的条状激光扫描轨迹。(b) 显示侧面熔池轨迹的 OM 图像。(c) 显示晶粒内均匀分布的 L21 沉淀的扫描电镜图像。(d) (c)的放大 SEM 图像。
图 3. FCNAT-B4 顶面的 EBSD 表征。(a) 逆极图(IPF) 图像。(b) 晶粒尺寸分布直方图。(c) 晶界分布，红线表示高角度晶界（HAGB），绿线表示低角度晶界（LAGB）。(d) 方向偏差角分布直方图。(e) 核平均错向（KAM）图像。(f) 局部错向分布直方图。
图 4. FCNAT-B4 顶面的 EBSD 高分辨率图。(a) 相位图。(b)
IPF 图像。(c) 核平均错向（KAM）图像。(d) L21 沉淀尺寸分布直方图。
图 5. FCNAT-B4 顶面的柱状图。
图 6. FCNAT-B4 侧表面的 EBSD 特征。(a) IPF 图像。(b)晶粒尺寸分布直方图。(c) 晶界分布，红线表示 HAGB，绿线表示 LAGB。(d) 方向偏差角分布直方图。(e) KAM 图像。(f) 局部错向分布直方图。
图 7. FCNAT-B4 顶面的 EBSD 高分辨率图。(a) 相位图。(b)
IPF 图像。(c) KAM 图像。(d) L21 沉淀尺寸分布直方图。
图 8. FCNAT-B4 侧表面的极点图。
图 9. (a) FCC 矩阵相和 L21 相的 BF-TEM 图像；(b)来自 (001) 区轴的选择性区域电子衍射 (SAED) 图样，显示 FCC 矩阵和 L21 的超晶格结构；(c)显示 FCC 矩阵和 L21 相界面的 HRTEM 图像；(d) (c) 中相应区域的 FFT 图像，显示 FCC 矩阵相和L21 相；(e) (c) 中红色标记区域内 FCC 矩阵相的高倍率 HRTEM 图像，晶体学方向为 011；(f) (e)中相应区域的 FFT 图像，显示 FCC 矩阵相；(g) (c)中蓝色标记区域内 L21 相的高倍率 HRTEM 图像，晶体学方向为-111；(h) (g)中相应区域的FFT 图像，显示 L21 相；(i) (c)中黄色标记区域的 HRTEM 图像；(j) (i)中区域的 IFFT 图像。
图 10. (a) FCNAT-B4 的 BF TEM 图像，显示 L21 相周围存在高密度位错。(b) BF TEM 图像显示 FCC 基体内的位错密度很高。
图 11. (a) FCNAT-B4 中 L21 可转移沉淀的明视场 TEM 图像，以及描述铁、钴、镍、铝和钛分布的相应 EDS 图。(b) EDS 线扫描曲线结果，描述了不同相内的元素偏析。
图 12. (a) 显示催化裂化基质和 L21 可蜕变核壳沉淀相的明场 TEM 图像，右上方插图为催化裂化基质的选区电子衍射图；(b) (a) 中蓝色标记区域的高分辨率透射图像，显示 L21 沉淀相核壳结构的高分辨率图像；(c) (b)中绿色标记区域的高倍率 HRTEM 图像，右上方插图显示了 FCC 基体相和 L12 相的超晶格结构；(d) FCC 基体和 L21 沉淀相之间的外壳结构示意图，即 L12 相。
图 13. (a) L21 可蜕变核壳沉淀的高角度环形暗场（HAADF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像。(b) L21 可蜕变核壳沉淀内部红框区域的 HAADF STEM 图像和 EDS 光谱。
图 14 (a) 明场 TEM 显示 FCC 基体、L21 相、FCC 基体与 L21 相之间的界面，以及 L21 相中的针状金属间化合物。(b) 针状金属间化合物、堆叠断层（SF）和 L21 相中 9R 结构的示意图。(c）（a）中白框区域的 HRTEM 图像，显示针状金属间化合物、SF 和 9R 结构的存在。(d）（c）中蓝色方框区域的高倍 HRTEM 图像，显示针状金属间化合物和邻近的富集 SF。(e）（c）中绿色方框区域的高倍 HRTEM 图像，显示出大量 9R 结构。(f）（c）中红色方框区域的高倍HRTEM 图像，显示 SF 与 9R 结构之间的相互作用。(d1-f1）分别表示（d-f）的FFT。
图 15. (a) FCNAT-B4 的 HAADF-STEM 图像。(b) (a) 中黑框的放大图，以及相应的 EDS 元素分布图。
图 16. (a) FCNAT-B4 的拉伸应力-应变曲线。(b) FCNAT-B4 拉伸断口概览（蓝色虚线区域）和拉伸断口部分放大图（红色虚线区域）。(c) 应变-硬化率曲线和真实应力-真实应变曲线。(d) FCNAT-B4 与其他 3D 打印金属材料的拉伸性能比较[33,[48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57],
[58], [59], [60], [61], [62], [63]]。
图 17. FCNAT-B4 硬度值的二维分布图：（a）顶面；（b）侧面。
图 18 (a) 拉伸应变为 5 % 时的表面形态。(b) 拉伸应变为 5 % 时的表面形貌，显示梯田状滑移波。(c) 拉伸应变为 5 % 时的表面形貌，显示 L21 可转移核壳沉淀。(d) 拉伸应变为 15 % 时的表面形态。(e) 拉伸应变为 15 % 时的表面形态，显示梯田状滑移波。(f) 拉伸应变为 15 % 时的表面形貌，显示 L21 可转移核壳沉淀。(g) 拉伸应变为 20% 时的表面形态。(h) 拉伸应变为 20% 时的表面形貌，显示梯田状滑移波。(i) 拉伸应变为 20% 时的表面形态，显示 L21 可转移核壳沉淀。
图 19. (a) 电子通道对比成像（ECCI）显示了拉伸应变为 5% 时的FCC 基体。(b) ECCI 图像显示了拉伸应变为 5% 时的 L21 可转移核壳沉淀。(c) ECCI 图像显示拉伸应变为 15% 时的 FCC 基体。(d)
ECCI 图像显示拉伸应变为 15% 时的 L21 可转移核壳沉淀。(e) ECCI 图像显示了拉伸应变为 20% 时的 FCC 基体。(f) ECCI 图像显示在 20% 拉伸应变下的 L21 可转移核壳沉淀。
图 20. XY 平面上微观结构的 EBSD-IPF 图和 KAM 图：（a,
b）应变为 5%；（c, d）应变为 15%；（e, f）应变为 20%。
本研究首次提出了利用
DED
技术制备
FCNAT-B4
的方法。首次成功探索了
DED
技术制备高密度
FCNAT-B4
的最佳工艺参数。这项研究有效地展示了
DED
技术在一步法生产复杂的高性能部件方面的潜力，从而节省了粉末材料并缩短了印刷时间。
通过各种表征方法和性能测试，
DED
制备的样品呈现出独特的微观结构和优异的机械性能。
主要结论可归纳如下：
(1)FCNAT-B4 DED
