導讀：

該研究利用激光粉末床熔融增材制造 (PBF-LB)的極端打印條件，在AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金中制備了以B2相為主的非平衡微觀結構。一步簡單的后處理將高密度納米析出相引入B2基體中，其特征是包含超細、平行孿晶片層（約2.4納米）。這些納米孿晶析出相在傳統加工的高熵合金中是從未報道過的。它們通過一個有趣的兩步過程形成，通過肖克利不全位錯的滑移將六方密排結構轉變為納米孿晶結構。與增材制造的原始樣品相比，將納米孿晶成功引入析出相中，能夠在不犧牲材料的塑性變形能力前提下，大幅提高材料強度565MPa。由此獲得的室溫拉伸強度達到約2200 MPa，是目前已報道的增材制造高熵合金的最高強度之一。這一突破為制造具有獨特微觀結構和優異性能的結構材料奠定了基礎，有望能夠廣泛應用于各種領域。

圖文簡介：

將第二相引入微觀結構是冶金學家用來調控工程金屬材料性能的有效策略。實現最佳微觀結構通常涉及復雜的凝固和固態相變過程，這些過程受界面化學、非平衡空位、亞穩態以及與結構缺陷相互作用的影響。這些轉變由熱力學和動力學因素的相互作用驅動，導致成核、生長和調幅分解等現象。具體結果取決于制造技術和合金成分。增材制造 (AM) 是一項革命性的技術，幾乎可以制造任何幾何形狀的零件。激光粉末床熔融(PBF-LB) 作為一種典型的金屬增材制造技術，正在迅速推動各行各業的金屬制造技術。憑借其固有的快速凝固和熱循環特性，激光粉末床熔融(PBF-LB) 展現出調控析出結構以獲得卓越力學性能的潛力。就凝固機制而言，激光粉末床熔融(PBF-LB) 增材制造的微觀組織與其他快速凝固技術相似，這些技術都會在材料中引入非平衡能量波動。該過程不僅細化了晶粒尺寸，還促進了第二相中位錯和孿晶等晶格缺陷的形成。例如，在快速凝固的共晶 Al-Si 和 Al-Al2Cu體系中，高密度孿晶或位錯被引入納米級第二相中，改善了基體中位錯滑移的匹配性，從而同時提高了強度和塑性。

此外，激光粉末床熔融(PBF-LB) 固有的快速且空間變化的加熱、熔化、凝固和冷卻循環會產生大量的內能和高度的不穩定性。這些動力學導致不均勻的晶粒結構、非平衡相組成以及成分波動。更重要的是，伴隨的應力和能量波動為后續固態相變提供了強大的驅動力，有助于精確調控第二相。這一能力對于高熵合金（HEAs）尤為有利，因為高熵合金的特點是多種主元素和緩慢擴散。通過改變組成元素的化學有序性，具有特殊固有結構（例如局部化學有序性或有序復合性）的納米析出物將會得到增強，從而促進了延展性和強度之間的協同作用。事實上，高熵合金成分與先進的增材制造技術之間的相互作用，為定制具有特定固有結構的高性能合金的新型析出物提供了新的見解，值得深入探索。然而，目前對增材制造高熵合金微觀結構的理解仍然有限，需要進一步研究。

針對上述問題，香港城市大學呂堅院士團隊利用激光粉末床熔融 (PBF-LB) 的極端打印條件（例如快速冷卻速率、陡峭溫度梯度和復雜的熱循環）在以 B2 相為主的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金中制備出高密度、具有極細納米孿晶片層的納米析出物。實驗結果揭示了納米孿晶析出物的兩步形成機制。最初，六方密排堆積(HCP) 析出物作為前驅體形成，隨后通過不全位錯運動轉變為納米孿晶 (NT) 結構。密集分布的納米孿晶析出物使強度顯著提高 565 MPa，實現令人印象深刻的室溫拉伸強度 (約 2.2 GPa )。值得注意的是，該材料在 600 °C 時的拉伸強度為 1133 MPa，超過了大多數中溫應用的增材制造金屬。該研究結果表明，激光粉末床熔融增材制造固有的熱循環和快速凝固特性可以用來制備納米孿晶微結構，從而獲得優異的機械性能。

相關成果以 “Nanotwinned precipitates induced ultra-strong AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy through additive manufacturing” 為題發表在學術期刊《Materials today》上，通訊作者為香港城市大學工學院院長呂堅院士，香港城市大學博士生周琳和香港城市大學博士后段峰輝為論文共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125002342

圖1.增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的顯微組織。

圖2.退火態AlCoCrFeNi2.1 EHEA的微觀組織。

圖3.在600 °C退火8小時后，B2層片中形成極細針狀析出物的過程。

圖4.增材制造AlCoCrFeNi2.1 EHEA在室溫及600 °C下的力學性能。

圖5.在600 °C退火 (a-c) 5分鐘、(d-f)30分鐘后，B2基體中針狀析出物的形成情況。

圖6.微觀結構在B2基體中演變的示意圖說明。

主要作者介紹：

呂堅院士（通訊作者）：法國國家技術科學院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究會理事長（HKMRS）、香港城市大學機械工程系講座教授、工學院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，結構與功能材料的設計及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環保，食品安全等領域的應用。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，西安交通大學、東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得84項歐、美（50項）、中發明專利授權，在本領域頂尖雜志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 等專業雜志上發表論文600余篇，引用五萬余次。個人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

周琳（第一作者）：香港城市大學機械工程系博士生，師從呂堅院士。于2017年、2020年在湖南大學獲得學士與碩士學位。主要從事高性能金屬增材制造材料的設計、研發及其應用。至今在Nature Communications, Advanced Materials, Materials Today, Additive Manufacturing，Journal of Materials Science & Technology等期刊發表論文10余篇。

段峰輝（共同第一作者）：香港城市大學機械工程系博士后。2013年于北京科技大學材料科學與工程專業獲得工學學士學位，2019年于中國科學院大學（金屬研究所IMR）獲得博士學位，導師是李毅和潘杰研究員。2021年作為博士后加入香港城市大學呂堅院士課題組。主要從事納米孿晶和納米晶金屬結構材料的可控制備以及力學性能研究。以第一作者在Nature Communications, Science Advances, Chemical Reviews, Physical Review Letters，Materials Today，Acta Materialia 等期刊發表論文，授權國家發明專利3項。

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝作者團隊支持。