华东理工涂善东院士丨增材制造CoCrNi中熵合金的抗疲劳性能和疲劳诱导亚结构研究

研究发现，超声波表面轧制法可以在增材制备的CoCrNi MEAs表面形成~300 μm的梯度结构，显著提高了CoCrNi中熵合金的屈服强度和107周的疲劳极限。在AM+USRP-MEA样品实现了良好的强韧性平衡，而这主要归因于梯度纳米孪晶层引起的HDI硬化。AM+USRP-MEA样品屈服强度的提升包括在位错强化(91.3 MPa)和细晶强化(~100 MPa)。此外，超声波表面轧制法还有助于增强增材制造CoCrNi中熵合金的疲劳性能。其中，材料107周的疲劳极限得到了显著提高，约130 MPa。此外，超声波表面轧制法可以有效地减少增材制造材料表面和表面下缺陷的数量和尺寸，特别是不规则和大的难融（LOF）缺陷。

研究团队及还发现AM+USRP-MEA的优异疲劳性能归因于多种因素共同抑制了试样表面的裂纹萌生，包括梯度纳米孪晶层的存在以及表面上和表面下不规则缺陷的减少。通过多尺度表征技术，作者对增材制造钴铬镍CoCrNi中熵合金(AM-MEA)样品在高、低应力水平下加超声波表面轧制法和不加此法的循环塑性变形行为进行了深入研究。结果发现，在480 MPa低应力水平的循环加载下，由于循环应变较小，两种试样的疲劳损伤均以固态合金的积累和少量的PLBs为主。值得注意的是，两种样品的位错运动活性没有显著差异。因此，在低应力下，疲劳寿命的提高归因于裂纹起裂位置的迁移。

     

▲图1 具备梯度纳米层的MEA样品的制备工艺、粉末床选区激光熔融（LPBF）和超声波表面轧制工艺示意图。

▲图2 AM+USRP-MEA样品的梯度微观结构图：(a)EBSD-IPF横断面图像；(b) KAM制图；(c)相应的BC映射图；在(d1-2)、(e1-2) ~50 μm、(f1-2) ~100 μm、(g1-2) ~220 μm和(h1-2) ~450 μm表面不同深度的亮场TEM (BF-TEM)图像；(d2)、(e1)、(f1)和(g1)中的插图为相应的SAED图；(i) USRP处理期间形成的GNS层示意图。

     

▲图4 AM-MEA和AM+USRP-MEA样品的力学性能:(a)工程应力-应变曲线；(b)相应的加工硬化速率曲线；(c)LUR曲线；(d)流动和HDI应力-真应变曲线。

     

     

▲图7 AM+USRP-MEA试样疲劳实验后~100 μm深度梯度纳米孪晶层微观结构演变：(a)应力水平为480 MPa时的BF-TEM图像；(b)660 MPa应力水平下BF-TEM图像；(c)疲劳前后TB间距的变化；(d)在660 MPa的应力水平下，许多SFs源自TBs，其中黄色三角形代表SFs。