通过后处理热处理提升激光粉末床熔融Al10Co28Cr28Ni34多主元素合金的机械性能和电化学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhancing mechanical and electrochemical properties of a laser powder bed fused Al10Co28Cr28Ni34 multi-principal element alloy via post-process heat treatment

多主元合金Al10Co28Cr28Ni34通过激光粉末床熔融制备，对比950℃退火与1200℃均匀化+900℃时效两种热处理，发现后者通过细化B2相及Cr-rich σ相，提升强度至913 MPa（较铸态提高23.5%），同时降低腐蚀电流密度至38.6 nA/cm2，实现力学与电化学性能协同优化。

　　

程涛倩|牛家成|陈玲|储晨亮|曾伟|陈卫平|宋长辉|傅志强

华南理工大学先进金属材料加工广东省重点实验室，广州，510641，中国

摘要

在本研究中，通过激光粉末床熔融（L-PBF）工艺制备了一种非等原子比的Al₁₀Co₂₈Cr₂₈Ni₃₄多主元素合金（MPEA），并对其进行了两种不同的热处理以优化其机械和电化学性能。原始合金呈现单一的面心立方（FCC）相结构，其中包含大量的位错缠结，其极限抗拉强度（UTS）为913 MPa，腐蚀电流密度（i_{corr）为84.5 nA/cm^{2。原始样品的延展性和强度分别比其锭材对应样品高出约23.5%和16.9%。此外，原始合金的电化学腐蚀抗性也优于锭材样品。在950 °C下退火后，FCC基体中析出了棒状的富Al-Ni有序BCC（B2）相，这显著提高了UTS，但同时降低了延展性和腐蚀抗性。相比之下，在1200 °C下进行4小时的均匀化处理，随后在900 °C下进行2小时的老化处理，使得B2相界处形成了更细小的B2沉淀物和富Cr的σ相，从而略微提高了UTS和延展性，并降低了腐蚀电流密度（38.6 nA/cm2）。结果表明，后一种热处理通过形成更细小的B2相和σ相，增强了合金的机械和电化学性能。不同样品之间的机械性能差异主要源于固溶强化、晶界强化、位错强化和沉淀强化的综合作用。因此，本研究为通过L-PBF和热处理的组合来定制MPEA的微观结构，从而协同提升其机械和电化学性能提供了见解。}}

引言

多主元素合金（MPEAs）是一类由多种主要元素组成的新型材料[1]。与传统合金不同，MPEAs利用多元组成来实现优异的性能[2]、[3]，包括平衡的强度-延展性[4]、出色的耐腐蚀性[5]、耐磨性[6]、抗空化侵蚀-腐蚀性[7]以及高温抗氧化性[8]。MPEAs的独特性能主要归因于晶体晶格畸变、热力学高熵效应以及动力学缓慢扩散效应[9]、[10]、[11]、[12]。

目前，真空感应熔炼和真空电弧熔炼是制备MPEAs的主要方法[13]、[14]、[15]、[16]。然而，这些制造工艺在生产几何形状复杂的部件时存在显著限制[17]。此外，铸造的MPEAs通常具有粗大的晶粒和严重的偏析现象，这会降低其整体性能并限制其工业应用。相比之下，增材制造（AM），特别是激光粉末床熔融（L-PBF），提供了一种变革性的解决方案。作为一种重要的AM技术，L-PBF已成为制备高性能MPEAs的主要方法，因为它具有高冷却速率（10³-10⁶K/s）、接近净形状的能力以及高材料利用率等优点[18]、[19]、[20]、[21]。例如，Wang等人[22]在L-PBF处理的AlCoCrFeNi_2.1 MPEA中实现了1109 MPa的显著屈服强度，并保持了13.7%的伸长率，远优于其铸造对应样品。进一步展示其多功能性的是，L-PBF制造的TiVAlZrNb增强型MoSi₂涂层通过细化晶粒和优化热膨胀系数，表现出更好的抗裂性和耐腐蚀性[23]。值得注意的是，Xu等人[24]研究了L-PBF制备的难熔MPEAs（特别是NbMoTaWTi_x）的强度和延展性，发现添加Ti可以有效降低合金中的氧含量。此外，纳米级TiO₂颗粒在晶胞边界和晶界处的形成减轻了氧脆化现象，从而提高了断裂延展性。Park等人[25]对碳掺杂的CoCrFeMnNi MPEAs的系统性研究进一步突显了L-PBF的优势。在低温下的高应变率延缓了塑性不稳定性，使得伸长率比室温下提高了两倍。同时，低温下的流动应力和反向应力显著提高了强度。

除了机械性能外，L-PBF制造的CoCrFeNiMo_0.2 MPEAs[26]在3.5 wt.% NaCl溶液中表现出优异的耐腐蚀性，优于316L和304不锈钢。此外，L-PBF能够制备具有独特多层次异质微观结构的MPEAs[18]、[19]，包括细小晶粒、高密度位错、蜂窝状位错结构和纳米沉淀物，这些共同增强了其多种性能。然而，L-PBF特有的超快加热和冷却速率会导致过大的残余应力，从而对合金的可靠性和使用寿命产生不利影响[27]。为了解决这个问题，研究人员主要采用热处理来减轻最终产品中的残余应力[28]。此外，热处理还可能改变材料的化学成分和相分布，从而显著影响其整体性能。目前，L-PBF制造的MPEAs依赖直接退火来消除打印缺陷并改善机械性能[29]，但很少有研究系统地探讨热处理如何协同优化机械和耐腐蚀性能。

MPEAs因其可以通过成分设计和微观结构调控来定制性能而受到广泛关注。基于NiCoCr的多主元素合金以其出色的耐腐蚀性而闻名，但其强度对于更广泛的结构应用来说仍然有限[30]、[31]、[32]。因此，合金化是一种有效的增强机械性能的方法，例如Al[33]、Fe[34]、Ti[35]等。Al被认为可以通过形成B2沉淀物来有效改善MPEAs的机械性能[36]。此外，添加Al元素可以在腐蚀过程中形成致密的富Al氧化物层[30]、[37]、[38]。基于这些考虑，本研究选择了非等原子比的Al₁₀Co₂₈Cr₂₈Ni₃₄ MPEA作为模型合金系统，以平衡机械和电化学性能。与传统熔炼工艺相比，L-PBF为该合金系统提供了独特的优势。由于快速凝固过程产生了精细的非平衡微观结构（如细小晶粒、蜂窝状亚结构和高位错密度），从而增强了强度。然而，L-PBF引起的残余应力和亚稳态微观结构需要后续处理来进一步改善。因此，本研究设计了两种后续热处理工艺：一种是在950℃下退火2小时，以研究简单的应力释放和沉淀处理的效果；另一种是在1200℃下进行4小时的均匀化处理，随后在900℃下进行2小时的老化处理。这首先消除了亚稳态微观结构，然后在老化过程中控制沉淀物的形成。因此，本研究阐明了这两种不同的后续热处理如何影响L-PBF制造的Al₁₀Co₂₈Cr₂₈Ni₃₄多主元素合金的相组成、晶粒形态、织构演变、强化效应和腐蚀行为。本研究的创新之处在于建立了不同后续热处理下微观结构与机械/电化学性能之间的关系，特别强调了拉伸和腐蚀性能的协同优化。

材料与制造工艺

在本研究中，Al₁₀Co₂₈Cr₂₈Ni₃₄合金通过真空熔炼后雾化成粉末。这些粉末作为原料，其粒径分布（PSD）为D₁₀ = 24.00 μm、D₅₀ = 37.93 μm和D₉₀ = 53.02 μm。使用NOVA NANOSEM 430扫描电子显微镜（SEM）观察了Al₁₀Co₂₈Cr₂₈Ni₃₄粉末的形态，图1(a)展示了一个代表性的SEM图像。颗粒接近球形，大多数颗粒的尺寸在

L-PBF参数的选择

图3(a)显示了不同VED下原始样品的相对密度。相对密度随着VED的增加而增加，在VED超过56 J/mm³时趋于平稳，超过99.8%。当VED超过67 J/mm³时，由于能量输入过多导致的键孔效应，密度下降。图3(b)展示了激光功率和扫描速度对密度的影响。在低激光功率（A线）下，高扫描速度区域的密度由于熔合不完全而降低。相反，在足够激光功率（B线）下

强化机制

金属合金的屈服强度主要由几种基本的强化机制控制。通常考虑的主要强化机制包括固溶强化、晶界强化、位错强化和沉淀强化。估计总体屈服强度的一种常见方法是假设这些机制的贡献是可加性的，遵循线性叠加原理[48]。因此，计算得到的屈服强度（σ_cal

结论

在本研究中，使用激光粉末床熔融（L-PBF）工艺制备了一种多主元素合金（MPEA），其组成为Al₁₀Co₂₈Cr₂₈Ni₃₄。随后对这些样品进行了两种不同的热处理，以确定这些热处理对MPEA的微观结构、机械性能和腐蚀行为的影响。主要结论如下：

(1)

原始MPEA达到了最佳的密度和

CRediT作者贡献声明

程涛倩：研究、实验、数据分析、数据整理、初稿撰写。牛家成：数据分析、初稿撰写、审稿与编辑。陈玲：研究、实验、数据分析、初稿撰写。储晨亮：实验、审稿与编辑。曾伟：实验、可视化、验证。陈卫平：资金获取（财务支持）、资源提供、监督。宋长辉：资金提供

CRediT作者贡献声明

曾伟：可视化、验证。陈卫平：监督、资源提供、资金获取。宋长辉：监督、资源提供、资金获取。傅志强：审稿与编辑、监督、项目管理、方法论研究、资金获取、概念构思。陈玲：初稿撰写、研究、数据分析。储晨亮：审稿与编辑。程涛倩：初稿撰写、研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢第14个五年计划的国家重点研发项目（项目编号2024YFB4608600、2023YFB4606702）、广东省的国际科技合作项目（项目编号2023A0505050154）、广州市2024年基础与应用基础研究基金专项（项目编号2024A04J9927）以及珠江人才计划（项目编号2021QN02C766）的支持。