导读：
该研究利用激光粉末床熔融增材制造 (PBF-LB)的极端打印条件，在AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金中制备了以B2相为主的非平衡微观结构。一步简单的后处理将高密度纳米析出相引入B2基体中，其特征是包含超细、平行孪晶片层（约2.4纳米）。这些纳米孪晶析出相在传统加工的高熵合金中是从未报道过的。它们通过一个有趣的两步过程形成，通过肖克利不全位错的滑移将六方密排结构转变为纳米孪晶结构。与增材制造的原始样品相比，将纳米孪晶成功引入析出相中，能够在不牺牲材料的塑性变形能力前提下，大幅提高材料强度565MPa。由此获得的室温拉伸强度达到约2200 MPa，是目前已报道的增材制造高熵合金的最高强度之一。这一突破为制造具有独特微观结构和优异性能的结构材料奠定了基础，有望能够广泛应用于各种领域。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
图文简介：
将第二相引入微观结构是冶金学家用来调控工程金属材料性能的有效策略。实现最佳微观结构通常涉及复杂的凝固和固态相变过程，这些过程受界面化学、非平衡空位、亚稳态以及与结构缺陷相互作用的影响。这些转变由热力学和动力学因素的相互作用驱动，导致成核、生长和调幅分解等现象。具体结果取决于制造技术和合金成分。增材制造 (AM) 是一项革命性的技术，几乎可以制造任何几何形状的零件。激光粉末床熔融(PBF-LB) 作为一种典型的金属增材制造技术，正在迅速推动各行各业的金属制造技术。凭借其固有的快速凝固和热循环特性，激光粉末床熔融(PBF-LB) 展现出调控析出结构以获得卓越力学性能的潜力。就凝固机制而言，激光粉末床熔融(PBF-LB) 增材制造的微观组织与其他快速凝固技术相似，这些技术都会在材料中引入非平衡能量波动。该过程不仅细化了晶粒尺寸，还促进了第二相中位错和孪晶等晶格缺陷的形成。例如，在快速凝固的共晶 Al-Si 和 Al-Al2Cu体系中，高密度孪晶或位错被引入纳米级第二相中，改善了基体中位错滑移的匹配性，从而同时提高了强度和塑性。
此外，激光粉末床熔融(PBF-LB) 固有的快速且空间变化的加热、熔化、凝固和冷却循环会产生大量的内能和高度的不稳定性。这些动力学导致不均匀的晶粒结构、非平衡相组成以及成分波动。更重要的是，伴随的应力和能量波动为后续固态相变提供了强大的驱动力，有助于精确调控第二相。这一能力对于高熵合金（HEAs）尤为有利，因为高熵合金的特点是多种主元素和缓慢扩散。通过改变组成元素的化学有序性，具有特殊固有结构（例如局部化学有序性或有序复合性）的纳米析出物将会得到增强，从而促进了延展性和强度之间的协同作用。事实上，高熵合金成分与先进的增材制造技术之间的相互作用，为定制具有特定固有结构的高性能合金的新型析出物提供了新的见解，值得深入探索。然而，目前对增材制造高熵合金微观结构的理解仍然有限，需要进一步研究。
针对上述问题，香港城市大学吕坚院士团队利用激光粉末床熔融 (PBF-LB) 的极端打印条件（例如快速冷却速率、陡峭温度梯度和复杂的热循环）在以 B2 相为主的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金中制备出高密度、具有极细纳米孪晶片层的纳米析出物。实验结果揭示了纳米孪晶析出物的两步形成机制。最初，六方密排堆积(HCP) 析出物作为前驱体形成，随后通过不全位错运动转变为纳米孪晶 (NT) 结构。密集分布的纳米孪晶析出物使强度显著提高 565 MPa，实现令人印象深刻的室温拉伸强度 (约 2.2 GPa )。值得注意的是，该材料在 600 °C 时的拉伸强度为 1133 MPa，超过了大多数中温应用的增材制造金属。该研究结果表明，激光粉末床熔融增材制造固有的热循环和快速凝固特性可以用来制备纳米孪晶微结构，从而获得优异的机械性能。
相关成果以 “Nanotwinned precipitates induced ultra-strong AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy through additive manufacturing” 为题发表在学术期刊《Materials today》上，通讯作者为香港城市大学工学院院长吕坚院士，香港城市大学博士生周琳和香港城市大学博士后段峰辉为论文共同第一作者。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125002342
图1.增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的显微组织。
图2. 退火态AlCoCrFeNi2.1 EHEA的微观组织。
图3.在600 °C退火8小时后，B2层片中形成极细针状析出物的过程。
图4.增材制造AlCoCrFeNi2.1 EHEA在室温及600 °C下的力学性能。
图5. 在600 °C退火 (a-c) 5分钟、(d-f)30分钟后，B2基体中针状析出物的形成情况。
图6. 微观结构在B2基体中演变的示意图说明。
主要作者介绍：
吕坚院士（通讯作者）：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，西安交通大学、东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得84项欧、美（50项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry, Nature Water、Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials, JACS, Angew. Chem. JMPS， Acta Materialia 等专业杂志上发表论文600余篇，引用五万余次。个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian
周琳（第一作者）：香港城市大学机械工程系博士生，师从吕坚院士。于2017年、2020年在湖南大学获得学士与硕士学位。主要从事高性能金属增材制造材料的设计、研发及其应用。至今在Nature Communications, Advanced Materials, Materials Today, Additive Manufacturing，Journal of Materials Science & Technology等期刊发表论文10余篇。
段峰辉（共同第一作者）：香港城市大学机械工程系博士后。2013年于北京科技大学材料科学与工程专业获得工学学士学位，2019年于中国科学院大学（金属研究所IMR）获得博士学位，导师是李毅和潘杰研究员。2021年作为博士后加入香港城市大学吕坚院士课题组。主要从事纳米孪晶和纳米晶金属结构材料的可控制备以及力学性能研究。以第一作者在Nature Communications, Science Advances, Chemical Reviews, Physical Review Letters，Materials Today，Acta Materialia 等期刊发表论文，授权国家发明专利3项。
来源
材料科学与工程 l
香港城大吕坚院士团队《Materials today》: 3D打印超强2.2GPa共晶高熵合金！
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3D科学谷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3D科学谷
