中/高熵合金（MEAs/HEAs）因其独特的成分设计和优异的力学性能成为材料领域的研究热点, 其中CoCrNi基中熵合金因其良好的韧性备受关注, 但较低的强度限制了其作为结构材料的应用。传统通过添加Al/Ti元素引入L12相强化的方法往往面临不连续析出（DP）行为导致的塑性下降问题, 而抑制DP通常需要复杂的热机械加工路线。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
近年来，增材制造（AM），也称为3D打印，已被广泛用于开发高性能金属材料和直接制造几何形状复杂的部件。此外，作为逐层沉积的特征，由AM工艺产生的原位热循环使得原位沉淀成为可能，而不需要热处理。目前已经发展了多种AM技术，主要包括粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）两大类。其中，粉末等离子电弧增材制造（PPA-AM）是一种采用等离子弧作为热源、金属粉末作为原料的DED-Arc技术。然而，PPA-AM较高的热输入和适中的冷却速率导致制备的合金晶粒尺寸较为粗大。因此, PPA-AM制备的合金强度通常低于其他AM工艺制备的合金。有趣的是，在L12相强化的CoCrNi-AlTi中熵合金中，DP行为与晶界密切相关。DP行为始于晶界，并通过晶界扩散生长。因此，基于DED-Arc工艺特有的粗大柱状晶微观结构、原位热循环效应和高过饱和固溶体特征，有望绕过传统抑制DP行为所需的复杂热机械加工路线，直接制备具有优异力学性能的L12相强化CoCrNi-AlTi中熵合金。
受上述分析的启发，近期，温州大学陈希章教授团队与稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室（贵研铂业股份有限公司）闻明研究员团队合作，创新性地采用DED-Arc技术，利用其高热输入和适中冷却速率的特点，通过粗大柱状晶减少晶界数量并促进元素均匀分布，成功实现了L12相的高密度连续析出（CP）。具体来说，在本研究中，研究人员通过DED-Arc工艺成功地沉积了具有优异机械性能的Co30Cr18Ni42Al5Ti5MEA。热处理对L12相的析出行为有很大影响。随后，对沉积的合金进行了热处理，以研究热处理是否在获得的CP行为的基础上引起DP行为的转变。系统研究了沉积态（As-printed）和热处理态（QTAA）MEAs的微观结构和力学性能。对变形和强化机制也进行了细致的研究。该工作可为利用AM技术制备具有优异力学性能的L12增强MEAs/HEAs提供指导。
相关研究成果以“Deposited Ductile-GPa CoCrNi-based FCC medium entropy alloy with continuously precipitation by directed energy deposition-Arc”为题刊登在《International Journal of Plasticity》。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104395
采用电弧定向能沉积技术制备了L12强化的Co30Cr18Ni42Al5Ti5中熵合金, 重点研究了该工艺对L12相析出行为的调控机制。结果表明, DED-Arc工艺的高热输入和中等冷却速率的特点有效地抑制了不连续析出行为: 粗大的柱状晶组织显著减少了晶界数量; 适度的冷却速度促进了Al/Ti元素的均匀分布, 消除了晶界偏析; 这种 “粗晶粒-元素均匀化”协同作用通过连续沉淀（CP）行为导致L12相在晶粒内的高密度分布。直接沉积的合金表现出千兆帕斯卡强度（~1090 MPa）和高均匀伸长率（~28.4 %）。此外, 沉积合金的后续热处理证实了连续L12沉淀的热稳定性, L12相体积分数增加, 同时保持 “FCC+L12”结构。这项工作为利用增材制造技术制造具有优异机械性能的 L12强化高熵合金和中熵合金提供了指导。
图5. As-printed和QTAA MEAs微结构的TEM显微图:（a）、（b）和（c）明场STEM图像显示晶界和L12纳米沉淀物。（d）从（b）获得的STEM-EDS线扫。STEM-EDS线扫分别沿（e，f）的箭头显示在（b，c）中。钴、铬、镍、铝和钛的（g1）层状EDS图谱和（g2-g7）STEM-EDS图谱图像。（g2）明场STEM图像显示晶界。（h）BF图像显示L12沉淀物（插图:SAED图案），（i）HR-TEM图像显示“FCC+L12”的结构。（i1）显示L12的（I）的IFFT图像。
图6. 重构As-printed MEA的元素分布，显示FCC和L12相之间的元素分配行为:（a）由APT测量得到的原子图的3D重构，显示L12沉淀物和FCC基体。（b）沉淀物/基体界面的成分分布的接近直方图。
图7. As-printed MEA微观结构的TEM显微图:（a）显示L12沉淀物的BF图像（插图:SAED图案）。（b）和（c）显示纳米沉淀物的DF图像。（d）连续沉淀物的HR-TEM图像，其FFT图案对应于用数字1和2标记的区域。（e）L12沉淀物的相应STEM-EDS图谱。
图8. QTAA MEA微观结构的TEM显微图:（a）显示L12沉淀物的BF图像（插图:SAED图案）。（b）和（c）显示纳米沉淀物的暗场（DF）图像。（d）连续沉淀物的HR-TEM图像，其FFT图案对应于用数字1和2标记的区域。（e）L12沉淀物的相应STEM-EDS图谱。
图9. 不同样品的机械性能。（a）工程应力-应变曲线，（b）显微硬度图（插图:每个MEAs的平均显微硬度）,（c）YS、UTS和均匀伸长率的变化趋势，（d）合金的YS和UTS与均匀伸长率的乘积。
图12. As-printed MEA拉伸试验后的TEM显微图:（a）BF图像显示滑移痕线（插图:SAED图案）。（b）BF图像显示高密度位错和位错胞。（c）和（d） BF图像显示了纳米沉淀物和位错堆积（插图:SAED图案）。（e）和（f）显示SFs和L–C锁的HR-TEM图像和FTT图案。
图13. QTAA MEA拉伸试验后的TEM显微图:（a）BF图像，显示HDDs和SFs与沉淀物之间的相互作用（插图:SAED图案）。（b）BF图像显示SFs网络。（c）BF图像显示了纳米沉淀物和SFs。（d） BF图像显示滑移迹线（插图:SAED图案）。（e）和（f）显示SFs和L–C锁的HR-TEM图像和FTT图案。
图14. 强化机制对As-printed合金和QTAA合金YS的贡献，以及计算值与实验值的比较。
结论：
在本工作中，研究人员证明了DED-Arc可以有效地调节L12强化CoCrNi MEAs中L12相的析出行为。通过有效地抑制DP行为，DED-Arc工艺成功地制备了具有强塑性协同的Co30Cr18Ni42Al5Ti5MEAs。研究了热处理对Co30Cr18Ni42Al5Ti5MEAs组织和性能的影响。主要结论如下:
1、采用DED-Arc工艺开发的L12相连续析出（CP）策略，成功制备出具有优异力学性能的Co30Cr18Ni42Al5Ti5中熵合金。沉积态合金的力学性能优于多数其他AM工艺制备的中/高熵合金，其屈服强度达736 MPa，抗拉强度1090 MPa，均匀延伸率28.4%。
2、热处理后QTAA态合金的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为849 MPa、1110 MPa和16.8%。变形机制研究表明，热处理后纳米级层错网络被激活，同时L-C锁数量增加，这两种因素共同提供了额外的变形机制，使合金在未激活变形孪晶的情况下仍保持高应变硬化率。
3、沉积态和热处理态合金的高强度源于多种强化机制的协同作用，其中析出强化起主导作用，对两种合金强度的贡献率均超过70%。
4、本工作展示了DED-Arc沉积的Co30Cr18Ni42Al5Ti5中熵合金具有优异的力学性能，证明了该增材制造技术在工程应用中的巨大潜力。
通讯作者简介:
陈希章，工学博士，教授，博导。国际焊接工程师(IWE)，温州大学机电工程学院学术带头人，获浙江省钱江学者特聘教授，浙江省“万人计划”科技创新领军人才，浙江省151第一层次人才。主持国家自然科学基金、国际合作项目等10余项，企业合作项目20余项。兼任全国材料新技术发展研究会常务理事、中国焊接学会机器人与自动化专委会委员、中国机械工程学会高级会员等。主持获得省部级奖特等奖、一等奖、三等奖等4项。指导的研究生获得全国大学生创新创业大赛、全国挑战杯等银奖、二等奖等4项。发表TOP期刊封面论文等高水平文章100余篇，授权发明专利20余项，转化4项。作为主编、副主编出版专著3部，教材2部。研究方向 （1）增材制造与再制造；（2）激光制造；（3）AI+制造；（4）表面工程。
来源
材料科学与工程 l
《IJP》突破！电弧增材制造高强韧中熵合金，连续析出L12相实现强塑性协同
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。
白皮书下载 l 加入
QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源
