激光辅助增材制造（LAAM）技术就像一位”材料调控大师”，无需预先定制合金粉末，仅通过动态调控FCC与BCC粉末的供给比例，便能灵活设计合金成分与相结构，从而实现对材料不同区域力学性能的按需定制——例如制备兼具高强度与高韧性的梯度部件。这一特性在先进制造领域，展现出广阔的应用前景。
https://doi.org/10.1007/s12598-025-03420-w
激光辅助增材制造原位调控多主元合金FCC-BCC双相结构及力学性能陈立佳, 邹思昊, 隋尚, 翁飞, Shangxiong Huangfu, 曹立超, 张浩， Sergey Vasilievich Gaponenko, 杨涛, 鞠江, Lidong Zhaoi, 逯文君, 毕贵军
广东省科学院智能制造研究所
南方科技大学，机械与能源工程学院
中国机械工业联合会智能激光定向能量沉积增材制造技术重点实验室
西安理工大学，材料材料科学与工程学院
山东大学，材料科学与工程学院
瑞士联邦材料科技研究所
白俄罗斯国家科学院，斯捷潘诺夫物理研究所
香港城市大学，材料科学与工程学院
亚琛工业大学表面工程研究所
【背景介绍】
传统单相结构材料难以满足高性能轻量化的迫切需求，而传统铸造/锻造技术受限于成分与空间结构的调控能力，难以实现相结构的精准设计。增材制造技术为开发相结构可调材料提供了新途径，其中激光辅助增材制造（LAAM）凭借多粉末协同供给系统，展现出对异质微结构的精确调控优势。本研究创新性地将面心立方（FCC）结构CoCrNi与体心立方（BCC）结构CoCrNiAl0.6TiFe两种多主元合金粉末通过LAAM技术复合，通过实时调控粉末供给比例，实现了从单FCC相到FCC-B2双相结构的连续演变。随着BCC相粉末比例增加至0.5时，B2相体积分数达5.7%，其Al/Ti元素偏析诱导的沉淀强化效应使合金屈服强度提升82.5%至887.2 MPa。该研究通过原位相结构调控策略，为开发具有空间定制性能的异质结构材料提供了新范式，推动了多主元合金在先进工程领域的应用进程。
本研究采用激光辅助增材制造（Laser-aided additive manufacturing， LAAM）技术，通过协同送粉策略制备了一系列相结构与力学性能可调的多主元合金。以面心立方（FCC）型CoCrNi合金和体心立方（BCC）型CoCrNiAl0.6TiFe合金粉末为原料，通过协同调节两种粉末的送粉速率，实现了对合金相组成的精准调控。随着BCC型粉末比例的增加，合金相结构从单一FCC相逐渐转变为FCC-B2双相结构【1】。由于Ti和Al原子半径较大且具有负偏析焓特性，B2相富集于FCC基体周围，其中CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4和CoCrNi(Al0.6TiFe)0.5合金中B2相体积分数分别为0.5%和5.7%。相结构演变显著提升了合金力学性能：屈服强度与极限抗拉强度分别从单相FCC合金（CoCrNi）的486.0 MPa和781.2 MPa提升至双相合金（CoCrNi(Al0.6TiFe)0.5）的887.2 MPa和1165.2 MPa。微观机制分析表明，单相FCC合金以位错强化为主，CoCrNi(Al0.6TiFe)0.3的位错密度达2.5×10¹⁵ m⁻²，而B2相析出后，透射电镜观察到位错在B2相周围堆积，析出强化成为主导机制。本研究提出的合金设计策略实现了FCC-BCC双相结构的精确调控，为空间定制化性能构件的直接制造提供了新思路，对开发异质结构多主元合金具有重要参考价值。
文章亮点
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相结构精准调控：基于激光辅助增材制造技术，通过双粉末协同供给系统，实现了FCC-BCC双相结构合金的可控制备，突破传统工艺对相组成的动态调控限制。
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性能梯度强化：随着原料中BCC型CoCrNiTiFeAl0.6粉末比例增加，Al/Ti元素偏析诱导B2相析出，合金屈服强度提升82.5%至887.2 MPa，加工硬化率显著增强，实现了机械性能的原位调控。
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多机制协同作用：揭示位错强化与B2相沉淀强化的主导作用，单相FCC结构合金以位错强化，FCC-BCC双相结构合金中，B2相沉淀强化发挥主要作用。
【内容简介】
日前，广东省科学院智能制造研究所毕贵军团队联合南方科技大学、西安理工大学、山东大学、瑞士联邦材料科技研究所、白俄罗斯国家科学院斯捷潘诺夫物理研究所、香港城市大学和亚琛工业大学研究人员在Rare metals上发表了题为“In-situ tuning of FCC -BCC dual phase and mechanical properties in multi-principal element alloys via laser-aided additive manufacturing”的研究文章，报道了双粉末协同激光辅助增材制造技术原位制备FCC-BCC相结构与机械性能可调可控多主元合金的研究。广东省科学院智能制造研究所高级工程师陈立佳与南方科技大学邹思昊为共同第一作者，广东省科学院智能制造研究所研究员毕贵军与南方科技大学教授逯文君为共同通讯作者。
本研究采用激光辅助增材制造技术，通过双粉末协同供给系统（FCC结构CoCrNi与BCC结构CoCrNiAl0.6TiFe粉末），实现了相结构可调的多主元合金设计与性能优化。研究发现，随着BCC型粉末添加比例增加（0-0.5），合金相结构从单一FCC相逐步演化为FCC-B2双相，其中B2相因Al/Ti元素偏析在FCC基体界面析出，体积分数最高达5.7%。该相变过程显著提升力学性能：当BCC粉末比例增至0.5时，合金屈服强度从基准CoCrNi的486 MPa跃升至887.2 MPa，强化机制由单相FCC合金的位错主导（位错密度达2.5×10¹⁵ m⁻²）转变为双相合金的B2相沉淀强化主导。通过多尺度表征与计算模型揭示了非平衡凝固条件下相形成规律及位错-沉淀协同强化机理，证实LAAM技术通过调控异质粉末配比可实现材料微结构与力学性能的空间定制，为开发高性能梯度材料提供了创新策略。
【图文解析】
图1 (A)激光辅助增材制造合金的XRD图谱；(B)-(G) 各合金的EBSD相组成图：(B) CoCrNi; (C) CoCrNi(Al0.6TiFe)0.1; (D) CoCrNi(Al0.6TiFe)0.2; (E) CoCrNi(Al0.6TiFe)0.3; (F) CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4; (G) CoCrNi(Al0.6TiFe)0.5
X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）结果表明，CoCrNi(Al0.6TiFe)x, (x=0-0.5）均以FCC相为主，随BCC型粉末比例增加，Al/Ti固溶效应导致FCC晶格参数从0.3282 nm（x=0）增加至0.3312 nm（x=0.5）。当x≥0.4时，B2相在FCC基体中析出，其中x=0.4合金的B2相呈亚微米级不规则颗粒（~0.42 μm，体积分数0.5%），而x=0.5合金中B2相生长至~2 μm并包裹FCC基体（体积分数5.7%），证实Al/Ti元素在胞状界面的显著偏析。
图2 CoCrNi合金的TEM/STEM表征结果: (A)基体的ABF-STEM图像; (B) 基体的SAED衍射花样; (C) STEM-EDS 元素分布图
CoCrNi合金中可见球形纳米颗粒在基体中随机分布，选区电子衍射（SAED）表明基体为单一FCC相。能谱（EDS）元素分布显示，纳米颗粒区域Co、Ni元素贫化，而富集Cr和O元素，结合形貌特征可判定其为氧化铬（Cr2O3）。
图3 CoCrNi(Al0.6TiFe)0.2合金的TEM/STEM表征结果: (A) ABF-STEM图像; (B) ADF-STEM图像; (C) 基体的SAED衍射花样; (D) STEM-EDS 元素分布图
CoCrNi(Al0.6TiFe)0.2合金的透射电镜分析表明，合金基体仍为FCC相，基体中存在大量纳米颗粒团簇，能谱结果显示，纳米颗粒富含Al和O，表明添加BCC型CoCrNiAl0.6TiFe粉末改变了氧化反应优先顺序，Al因更高金属活性优先氧化形成Al氧化物，而原始CoCrNi合金中Cr为主要氧化元素。
图4 CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4合金的TEM/STEM表征结果: (A) ADF-STEM图像; (B) STEM-EDS 元素分布图; (C) 基体的SAED衍射花样; (D) 析出相的SAED衍射花样
CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4合金中具有不规则析出相与纳米颗粒共存于基体中，EDS结果表明析出相富含Al、Ti及微量Ni，而纳米颗粒为Al氧化物。SAED证实基体依然为FCC相，析出相为B2结构，与EBSD相图分析结果一致，验证了当原料中BCC型粉末比例超过40 wt%时，合金中B2相从FCC基体原位析出。该现象揭示了BCC粉末添加量对双相形成的阈值效应，同时表明Al的高氧化活性导致工艺中难以完全避免氧化夹杂。
图5 激光辅助增材制造合金的力学性能：(A) DIC应变分布图；(B) 工程应力-应变曲线；(C) 真实应力-应变曲线；(D) 加工硬化率曲线
CoCrNi(Al0.6TiFe)x合金的力学性能分析结果表明，随着BCC型粉末比例增加，合金的强度显著提升但塑性下降，CoCrNi(Al0.6TiFe)0.5（双相FCC-B2）屈服强度达887.2 MPa，但延伸率骤降至4.0%。加工硬化率曲线分析表明，单相FCC合金（x≤0.3）呈现三阶段特征（弹性-塑性转变、变形模式耦合、损伤累积），通过孪晶/相变延缓颈缩；而双相合金（x≥0.4）因B2相阻碍位错运动，仅保留位错主导的Ⅰ阶段与脆性断裂的Ⅲ阶段，且初始加工硬化率显著升高（如x=0.5时，3.5%应变下加工硬化率达6539 MPa）。
图6 CoCrNi合金的EBSD与TEM/STEM表征结果： (A, B) 未变形区域的IPF与KAM分布图；(C, D) 应变为25%区域的IPF与KAM图；(E, F) 应变为45%区域的IPF与KAM图；(G, H) 断裂区域的IPF与KAM图；断口表面TEM分析结果：(I) 位错位置的ADF-STEM图像；(J)孪晶的ABF-STEM图像及对应SAED衍射花样；(K) 堆垛层错的HRTEM图像；(L)堆垛层错的FFT分析
CoCrNi合金的变形演化规律：在拉伸过程中呈现均匀塑性变形特征——未变形区域（ε=0%）残余应力集中于晶界（KAM图蓝色主导），随应变增加（ε=25%→74.5%），晶内应力集中区（黄色区域）沿滑移方向均匀扩展，其高塑性源于多晶协同滑移。变形后期（ε=74.5%），孪晶诱导塑性（TWIP）与位错滑移共同作用，延缓颈缩并支撑阶段Ⅱ加工硬化率平缓下降。增材制造的非平衡凝固特性形成细晶（晶界阻碍位错运动）与高密度缺陷，赋予合金较传统铸造更高的屈服强度。
图7 CoCrNi(Al0.6TiFe)0.2合金的EBSD与STEM表征结果： (A, B) 未变形区域的IPF与KAM分布图；(C, D) 应变为25%区域的IPF与KAM图；(E, F) 应变为45%区域的IPF与KAM图；(G, H) 断裂区域的IPF与KAM图；断口表面TEM分析结果：(I)低倍率ABF-STEM图像；(J) 高倍率ABF-STEM图像； (K) 胞状结构边界的ADF-STEM图像
CoCrNi(Al0.6TiFe)0.2合金的变形行为分析：拉伸过程中晶粒沿加载方向显著伸长，但与单相CoCrNi合金存在显著差异——随应变增加，应力集中区域从晶内转向晶界，界面处深黄色高应力区导致变形局域化，抑制均匀塑性变形并降低延伸率。此外，该合金未观测到变形孪晶，进一步削弱其塑性。胞状结构内部存在高密度位错，且枝晶边界处形成复杂位错网络，这些位错结构通过阻碍滑移产生显著强化效应，揭示了纳米尺度缺陷工程对力学性能的调控作用。
图8 CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4合金的EBSD与TEM/STEM表征结果： (A, B) 未变形区域的IPF与KAM分布图；(C, D) 应变为10%区域的IPF与KAM图；(E, F) 应变为15%区域的IPF与KAM图；(G, H) 断裂区域的IPF与KAM图；断口表面TEM分析结果：(I) FCC基体与B2析出相的ADF-STEM图像；(J) B2相的HRTEM图像； (K)相界面的ABF-STEM图像
CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4合金的变形机制分析：未变形区域（ε=0%）的应力集中分布于胞状结构边界，该区域存在B2型金属间化合物析出相。在LAAM工艺中，FCC相优先形核并快速凝固，随后B2相在FCC胞状网络间隙析出，结合超高冷却速率导致热应力无法充分释放，使B2相成为应力集中源。随变形量增加（ε=10%→15%→断裂），胞状边界应力集中区域扩展并相互连接，引发早期裂纹萌生，导致合金但塑性骤减。透射电镜揭示断裂表面FCC基体与B2相内部均存在位错，且FCC/B2相界面处形成高密度位错塞积，表明变形过程中位错首先在FCC相内滑移（赋予初始塑性），随后受B2相阻碍堆积（强化效应），最终导致加工硬化率曲线呈现位错主导的双阶段特征。
【全文小结】
1.基于激光辅助增材制造技术，采用FCC型CoCrNi与BCC型CoCrNiAl0.6TiFe双粉末协同供给，成功制备出相结构可调的多主元合金，实现了FCC-BCC双相的原位调控；
2.合金相组成由CoCrNi(Al0.6TiFe)x的相形成规律与增材制造工艺的高冷却速率共同决定。Al、Ti元素因较大原子半径及与其他主元素的负偏析焓，优先在胞状结构界面富集，诱导B2相析出；
3.随BCC型粉末比例增加，合金屈服强度与加工硬化率显著提升：单相FCC合金以位错强化为主导（贡献强度增量76-210 MPa）；B2相析出后，沉淀强化成为主要机制（强度增量显著高于位错强化）；
4.LAAM无需预合金化新粉末，仅通过动态调控FCC/BCC粉末供给比例即可灵活设计合金成分与相结构，为不同区域定制力学性能（如高强度/高韧性梯度部件）提供了高效途径，在先进制造领域具有广阔应用前景。
注释【1】：
单一FCC相：CoCrNi、CoCrNi(Al0.6TiFe)0.1、CoCrNi(Al0.6TiFe)0.2、CoCrNi(Al0.6TiFe)0.3
FCC-B2双相结构：CoCrNi(Al0.6TiFe)0.4、CoCrNi(Al0.6TiFe)0.5
主要作者简介
毕贵军，男，研究员，国家特聘专家，广东省科学院智能制造研究所首席科学家。毕业于德国弗劳恩霍夫激光技术研究所，获得亚琛工业大学博士学位。兼任国际智能制造学会秘书长、全国专业标准化技术委员会（SAC/TC161）委员、中国机械工业联合会绿色制造分会专家委员会委员、IJMMM（Springer）等四个国际学术期刊编委。发表SCI论文140余篇，被引5800余次，H指数45（WoS），2021-2024年连续四年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单、2024年入选终身科学影响力榜单。主要研究方向为先进激光加工、增材/增减材复合制造、数值仿真、过程监测与控制、机器学习、工艺装备开发等，形成了完整的科研体系，具有深厚学术造诣和丰富工程实际经验。
逯文君 研究员 于2020年10月加入南方科技大学独立建组，任博士生导师。主要研究领域为金属与陶瓷材料的结构亚稳化、高强轻质化及多维表征技术的研究，在亚稳多主元合金的强韧化设计、新型高强轻质钢的开发、以及多维电镜表征方法三方面取得了一系列创新性的研究成果。近年来，在Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上发表论文100余篇。先后获得国家级青年人才、深圳市海外高层次人才以及新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家奖（2021）。担任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materials》、《中国有色金属学报》与《粉末冶金材料科学与工程》期刊青年编委；连续四年（2021 -2024）入选全球前2%顶尖科学家名单。
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