西工大林鑫教授顶刊丨激光粉末床熔融增材设计细晶粒以增强TiB2改性高熵合金的力学性能
文章摘要
西北工业大学凝固技术国家重点实验室林鑫教授团队与兰州大学合作，在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了关于采用激光粉末床熔融（LPBF）技术增材制造TiB2纳米颗粒增强CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）复合材料的最新研究成果。研究发现，与未掺杂TiB2的CoCrFeMnNi HEA相比，掺杂后的样品晶粒尺寸显著减小，从26.27μm降至7.51μm，并且晶粒形态由柱状晶转变为细等轴晶和细枝晶晶。这一变化导致复合材料的压缩屈服强度和拉伸屈服强度显著提高。研究分析指出，强化机制源于晶粒细化、TiB2颗粒、σ相和位错诱导的协同效应。该研究为利用LPBF和陶瓷纳米粒子增强的快速凝固过程来提升HEA的机械性能提供了新的视角。
正文
近日，西北工业大学凝固技术国家重点实验室林鑫教授团队与兰州大学合作在《Journal of Materials Research and Technology》上发表最新研究成果，采用激光粉末床熔合（LPBF）技术增材制造TiB2纳米颗粒增强CoCrFeMnNi复合材料。
与基体CoCrFeMnNi样品相比，TiB2掺杂CoCrFeMnNi(CoCrFeMnNi+TiB2)样品的平均晶粒尺寸从26.27μm减小到7.51μm，出现从柱状晶到细等轴晶和细枝晶晶的形态转变。相应地，压缩屈服强度（σy）从CoCrFeMnNi HEA的484.41±57.81MPa急剧增加到CoCrFeMnNi+TiB2的952.62±38.15MPa，拉伸屈服强度从480.27±1.25MPa增加到834.21±15.93MPa，显着提高的机械性能。
图1 原料粉末的形貌，(a) CoCrFeMnNi HEA 粉末的 SEM 显微照片，(b-c) CoCrFeMnNi+TiB2 粉末的显微照片，(d) CoCrFeMnNi HEA 粉末的粒度分布，(e) 相应的 EDX 图 (c)
图 2 CoCrFeMnNi HEA 的微观结构 BSE 图像，(a-b) 分别是侧面（平行于 BD）和顶面（垂直于 BD）的微观结构，(c) 柱状晶的近视图，( d) 熔池边界晶粒的生长方向，(e-f) CoCrFeMnNi HEA 样品的 HAADF-STEM 图像和元素映射
图 3 (a-c) LPBFed CoCrFeMnNi + TiB2 复合材料的微观结构 BSE 图像，(d) HAADF-STEM 图像和 EDX 元素映射
图 4 EBSD方位图
图 5 力学性能曲线
本工作采用LPBF法原位制备了纳米颗粒TiB2增强CoCrFeMnNi复合材料。CoCrFeMnNi+TiB2样品中不存在粗大的柱状晶体，因此具有平均尺寸为7.51μm的细枝晶/柱状和蜂窝状结构，与不含TiB2的HEA相比，机械性能得到改善。TiB2颗粒与蜂窝结构内部的FCC基体相一致，表明在凝固过程中细化晶粒和与基体颗粒具有良好润湿性的关键作用。细晶粒提供大量晶界，限制塑性变形过程中的位错运动，从而获得高的压缩和拉伸强度并提高应变硬化速率。此外，在细胞边界的边缘观察到富Cr四方σ相。σ相与FCC矩阵失配，从而阻碍塑性变形过程中的位错运动。定量分析了其对屈服强度提高的贡献，大多是通过利用弥散强化、晶界强化和位错强化等多种强化机制来实现的。该研究提供了添加HEA的TiB2纳米粒子的异质成核的深入见解。
