3D科学谷洞察
激光功率和扫描速度是激光粉末床熔融（PBF-LB）技术中两个关键的工艺参数，它们通过影响熔池的热历史、元素混合、晶粒生长和微观结构，进而显著影响高熵合金的力学性能。”
1 研究背景
增材制造技术，尤其是激光粉末床熔融（PBF-LB）技术，因其能够制造复杂形状和高精度的零件而备受关注。与传统制造工艺相比，PBF-LB技术无需模具或切削工具，极大地扩展了设计的可能性。材料的力学性能主要由其微观结构决定，因此在增材制造过程中能够调节微观结构的演变，即所谓的原位定制，对于制造具有不同力学性能要求的复杂形状零件具有重要意义。高熵合金（HEAs）是一类由五种或更多主要元素以接近等原子比组成的合金，因其独特的性能而受到广泛关注。高熵合金的研究从第一代等原子比合金逐渐发展到第二代非等原子比合金。研究表明，高熵合金的组成变化会导致其相和微观结构的变化。目前，高熵合金在PBF-LB中的成分变化研究主要集中在两种元素添加方法上：预合金粉末和混合粉末。预合金粉末通过添加过饱和合金元素来实现相含量的变化，而混合粉末的原位合金化则通过在熔池中引入微米级浓度变化区域和原位调节熔池来调整微观结构。
2 成果简介
在这项研究中，研究人员通过改变激光参数来调控微米级元素混合，实现了高熵合金（HEAs）的微观结构和性能的原位定制。研究对象为AlSi10Mg和FeCoCrNi混合粉末的原位合金化。实验结果表明，在合理的工艺参数范围内，降低体积能量密度（VED）可以显著增加BCC相含量，减少晶粒尺寸，使晶粒形态从柱状晶转变为细晶，并增加位错密度。相应地，合金的屈服强度提高了21%，抗拉强度提高了16%。研究人员还通过计算流体动力学（CFD）模拟揭示了这一方法的机制。结果表明，降低激光功率和增加扫描速度会减弱元素混合能力。在相同的VED下，降低激光功率对元素混合的影响大于降低扫描速度的影响。这些因素从根本上决定了微观结构和性能的变化。此外，研究人员还发现，通过同时降低激光功率和扫描速度，可以在保持VED不变的情况下，进一步增加BCC相含量和位错密度，从而分别提高合金的屈服强度和抗拉强度15%和8%。
3 图文导读
图1：(a) 不同工艺参数下通过原位合金化制备的合金的金相图；(b) 基于(a)中合金的孔隙率统计的相对密度拟合等高线图；(c) 通过阿基米德方法测量的样品密度值的拟合等高线图。
图2：模型设置和网格生成。
图3：(a) 在三种工艺参数：200W700mm/s、200W1400mm/s和100W700mm/s下制备的样品的XRD图谱；(b) 从XRD图谱和EBSD数据分别计算出的BCC相的体积分数；(c, d, e) 在三种工艺参数下制备的样品的EBSD相图，其中FCC相用红色表示，BCC相用蓝色表示，观察平面为与BD平行的侧面。
图4：(a, b, c) 分别显示了在三种工艺参数：200W700mm/s、200W1400mm/s和100W700mm/s下制备的样品的EBSD取向成像微观图（OIM）和极图。观察平面为与BD平行的侧面。
图5：(a, b, c) 分别显示了使用三种工艺参数：200W700mm/s、200W1400mm/s和100W700mm/s制备的样品的EBSD再结晶晶粒分布图。图中蓝色表示再结晶晶粒，黄色表示亚结构晶粒，红色表示变形晶粒。(d, e, f) 对应于相同三组工艺参数的EBSD数据的局部取向偏差图和KAM统计图。这些图还展示了通过分析计算出的GND密度。观察平面为与BD平行的侧面。
4 小结
这项研究提出了一种通过调整原位合金化PBF-LB的工艺参数来调控微米级元素混合，从而定制双相高熵合金的微观结构和力学性能的方法。通过实验和CFD模拟，研究人员发现降低体积能量密度（VED）可以显著增加BCC相含量，减少晶粒尺寸，使晶粒形态从柱状晶转变为细晶，并增加位错密度。
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这些变化导致合金的屈服强度提高了21%，抗拉强度提高了16%。CFD模拟结果表明，降低VED会导致熔池的尺寸、温度、流体速度和寿命减少，从而减弱元素的混合能力，促进Al富集区域的形成，这些区域在固化过程中发展成BCC相。BCC相的存在阻碍了FCC晶粒的外延生长，导致晶粒形态从柱状晶转变为细晶。
此外，由于混合不均匀性增加，Al浓度梯度增加，导致位错密度上升。这些因素是VED降低时力学性能增强的主要原因。通过同时降低激光功率和扫描速度，可以在保持VED不变的情况下，进一步增加BCC相含量和位错密度，从而分别提高合金的屈服强度和抗拉强度15%和8%。
CFD模拟结果揭示了在从高VED参数向低VED参数过渡的过程中，降低激光功率比增加扫描速度更有效地减弱熔池中元素的混合能力。这解释了为什么低激光功率和低扫描速度参数组合的BCC相含量高于高参数组合，也解释了力学性能的提升。在PBF-LB过程的合理参数范围内，不同参数的合金都表现出Lomer-Cottrell (L-C) 锁强化机制，但主要强化机制存在显著差异。低VED参数合金的主要强化机制是由BCC相诱导的异质变形诱导（HDI）强化，而高VED参数合金的主要强化机制是变形微带。
这项研究为增材制造梯度材料的制备方法提供了新的思路，打破了粉末成分梯度的限制，实现了性能和微观结构的调控。例如，该方法可以应用于制造具有硬外壳和韧性内核的零件，如齿轮和轴。
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尽管本文报告了通过参数调控相、晶粒、位错和性能的现象，并从单道熔池的角度讨论了熔池内元素混合的影响，但在实际多层扫描过程中，层间热效应对面微观结构的影响尚未考虑。当使用这种方法构建不同参数的多层结构时，不同参数层之间的微观结构和性能可能会受到层间热效应的影响，这在一定程度上限制了这种原位调整方法的自由度。未来的研究需要进一步探索层间热效应以及该工艺在不同材料中的适用性。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104648
来源
材料研究前沿 l
山东大学王广春Additive Manufacturing：通过激光参数调控实现高熵合金微观结构和性能的原位定制
l 谷专栏 l
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