激光增材制造仿生层状高熵合金

激光增材制造仿生层状高熵合金

胡琳萱

大连交通大学 材料科学与工程学院 大连 116045

摘要：高熵合金作为一种新颖的金属材料在近些年受到了诸多研究者的关注和研究。相比于传统单一的主元合金，通过简单的处理工艺和手段能够有效地调控高熵合金的力学性能。然而对高熵合金来说，传统强化方式的效果不显著，应采用更有效的强化方式。仿生层状结构作为一种结构性强化方式，充分发挥了金属−金属界面的不同特性以及金属层之间的协调变形效应的优势。激光增材制造技术能在制备环节提供扎实的工艺基础，因其具有独特的逐层堆叠加工特点。本文将系统地讨论高熵合金，层状结构以及激光增材制造在金属材料领域的应用。

关键词：高熵合金；强化机制；层状结构；激光增材制造；组织与力学性能

1.1高熵合金的概念及特性

与传统意义上的合金材料不同，高熵合金是将五种或者五种以上元素按照等摩尔比或者近等摩尔比混合而成的^[1,2]。由于较多的主元数目，高熵合金拥有一些独特的效应，包括高熵效应、晶格畸能变效应、扩散效应以及“鸡尾酒”效应。正是因为这四大效应的协同存在，使得高熵合金材料具有诸多的优异性能特点，例如良好的热稳定性能；极佳的耐腐蚀性能；较高的强度和硬度；优异的耐磨损性能。

1.2高熵合金的传统强化机制

金属的强韧化方法有很多^[3]。其内在机理可以传统地划分为四类: 固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相强化。细晶强化是金属材料经常采用的一种重要强化手段，既能提高合金的强度又能提高合金的塑性，通过增加晶界数量，有效地阻碍位错的运动，从而提高合金强度^[4]；固溶强化是指当给高熵合金中加入其它原子半径相差较大的元素时，会加剧晶格畸变效应，造成更加明显的固溶强化效果；当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用，这种强化作用称为第二相强化；结晶金属都在不同程度上存在位错。位错运动时，来自不同滑移面的位错以不同的方式相互作用。位错数越多，位错强化作用越明显。

1.3层状结构设计与特性

层状结构材料的构思起源于贝壳仿生结构。学者发现，当贝壳以无机物薄层与有机物薄层交替粘接成层状构型时，其断裂韧性较无机物提高了上千倍^[5]。层状结构的存在可以促进材料兼并各自组元成分的性能优点，以提高层状复合材料的综合力学性能，实现材料的进一步发展。研究学者们发现界面在层状材料变形过程中扮演重要的角色，例如传递载荷、调控和再分配应力。此外，界面的相对强弱以及界面反应层的存在，都会影响界面在变形过程中对应力、应变的协调作用，从而影响层状材料的力学性能。

1.4层状结构强化机制

在层状材料领域，层状金属复合材料屈服强度满足混合定律，但其均匀延伸率及断裂延伸不满足，因为其拉伸塑性受到尺寸效应、强弱界面特性、应力状态等多种因素的影响，所以层状结构材料有时能够表现出优异的加工硬化能力，获得强塑性协同作用。界面对层状和梯度结构材料的力学性能有相当重要的作用.

除了界面间作用会对层状结构材料的产生影响，断裂行为也是一个影响性能的决定性因素。与均匀材料不同，具有层状结构的材料，会产生应力的重新分布，或者通过韧带增韧、桥接等方式降低裂纹扩展的驱动力，往往与裂纹尖端场附近的结构有关。

1.5激光增材制造应用

激光增材制造技术，又称“3D打印技术”，是一种将复杂3D模型数据作为基础并且利用高能激光束将原材料快速熔化、即时连接、逐层堆积成实际物体的综合性先进制造技术。随着现代工业的快速发展，人们对于金属材料性能的要求不单局限于某一种或某一类性能，因为传统的均匀金属材料无法满足多性能要求，所以人们迫切希望能有更创新的金属结构材料可以满足两种或多种性能的结合[6]。Tan等采用激光辅助增材制造技术成功地制备了具有循环层状结构的两种C300 MS/420 SS复合材料[7]。两种层状结构材料相比于原材料MS具有更加优异的强度-塑性组合：1.32GPa以及7.5%的断后延伸率。

1.6总结与展望

目前，高熵合金研究主要还是集中在传统强化手段的研究，下一步，应大力发展高熵合金中引入层状结构的相关研究，探索出更多在复杂工况条件下具备优异性能的高熵合金。高熵合金从提出至今，仅仅经历了短短十几年的发展，但是其展现出来的各种优异性能已充分显示了高熵合金极其广阔的发展前景。层状结构金属材料目前已经取得了一些令人瞩目的研究成果，但是这些都还是处于起步阶段，具备优异应用性能的层状结构高熵合金的研究还有很长的路要走。

参考文献

[1] 陈永星, 朱胜, 王晓明,等. 高熵合金制备及研究进展[J]. 材料工程, 2017, 45(11): 10.

[2] Yeh JW, Chen SK, Lin SJ, et al. Nanostructured High-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6(5): 299-303.

[3] 谭雅琴, 王晓明, 朱胜,等. 高熵合金强韧化的研究进展[J]. 材料导报, 2020, 34(5):7.

[4] Sun S J, Tian Y Z, An X H, et al. Ultrahigh cryogenic strength and exceptional ductility in ultrafine-grained CoCrFeMnNi high-entropy alloy with fully recrystallized structure[J]. Materials Today Nano, 2018, 4.

[5] Launey M E, Ritchie R O. On the fracture toughness of advanced materials[J]. Advanced Materials, 2009, 21: 2103-2110.

[6] 陈鑫. 金属材料的应用与发展综述[J]. 山西科技, 2015, 30(01): 75-76.

[7] Tan C L, Chew Y X, Duan R X, et al. Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels[J]. Materials Research Letters, 2021, 9(7).