华东理工轩福贞教授顶刊丨激光粉末床熔融增材制造高熵合金的高周疲劳行为及损伤演变机制

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激光粉床熔融（L-PBF）增材制造（俗称3D打印）工艺路径在“一站式”精密、快速、绿色成形复杂几何构型的金属零部件方面，彰显出难以替代的技术优势。高熵合金（HEAs）突破了传统合金设计理念，在力学、电磁学、催化、能源等领域具有令人兴奋的应用前景；高混合熵抑制了脆性金属间化合物产生，具有晶格畸变和缓慢扩散效应的过饱和固溶体基体相存在显著的元素波动特性，使这类独特的晶体结构在超高温高强度、超低温高韧性、抗腐蚀耐氧化等方面，比传统合金更显优异，因而HEAs正加速应用于航天装备关键部件、储氢装置、核聚变反应堆、涡轮叶片制造等领域。3D打印高性能高熵合金复杂构件，可为快速原型验证、定制化关键件的高自由度设计与制造提供优选技术方案。

图1 L-PBF增材制造高熵合金的工艺原理、典型制件宏观构型及微观结构

近日，华东理工大学机械与动力工程学院的轩福贞教授研究团队围绕L-PBF增材制造面心立方晶体（FCC）结构的CoCrFeNi高熵合金在交变载荷工况下的疲劳行为及损伤演变机制持续深入研究；发现激光快速非平衡熔凝的CoCrFeNi微观结构含有高密度的小角度晶界、异常显著的晶内胞状亚结构和原子堆垛层错特征，促使在较低应力水平的交变应力下诱发大量纳米孪晶，建立和阐明了上述因素交互作用的物理机制模型；探明了在L-PBF增材制造CoCrFeNi疲劳行为中的位错胞（Dislocation cells）演变过程及其与晶内胞状亚结构（Cellular structures）的交互作用机理，位错受胞壁结构（Cellular walls）阻碍、在一定范围往复移动导致位错湮灭、解离和重排，位错重排则倾向于形成较低能量构型，即具有交替高-低密度位错区域的新型位错胞壁（Dislocation cell-walls），这不仅改善了高周疲劳性能，同时能阻碍位错的大范围移动，为反应生成纳米孪晶提供了更大可能；此外，通过施密特因子计算及相同尺寸、不同取向的晶粒内部诱发孪晶比例量化对照，意外发现L-PBF增材制造FCC系列HEAs纳米孪晶更易在<110>取向的晶粒内部产生，这可为通过L-PBF激光工艺改变微观晶粒取向分布、实现构-性精准调控和强韧取向性的人工设计，提供新的可行路径。

上述研究进展和成果以High-cycle fatigue induced twinning in CoCrFeNi high-entropy alloy processed by laser powder bed fusion additive manufacturing为题，发表于机械制造领域、增材制造领域的国际顶刊《Additive Manufacturing》上；我院轩福贞教授研究团队的在读硕士研究生陈亦楠为第一作者，我院李博副教授、英国莱斯特大学Bo Chen教授为共同通讯作者，该成果得到了国家自然科学基金、上海市国际科技合作项目的支持。

图2 L-PBF增材制造CoCrFeNi高熵合金拉伸性能对比

图3 L-PBF增材制造CoCrFeNi高熵合金的高周疲劳性能

图4 L-PBF增材制造CoCrFeNi高熵合金低应力高周疲劳诱发纳米孪晶的特征及其与晶内胞状亚结构、位错胞结构的相互作用机理

近年来，我院轩福贞教授和李博副教授“增材制造与智能装备”研究团队在3D打印智能装备创成、高性能金属结构件增材制造及应用、复杂功能构型智能设计与3D打印、混合柔性电子3D/4D打印等方面取得一系列科研成果，在中国航天科工集团四院、中国航天科技集团八院、中国航发商发公司等航空航天领域重要院所，以及过程装备、新能源、医疗健康等多个行业民营科技企业持续开展合作和科技成果转化，支持重点型号装备关键件制造与服役。