引言：溫州大學陳希章教授團隊與稀貴金屬綜合利用新技術國家重點實驗室（貴研鉑業股份有限公司）聞明研究員團隊合作，利用DED-Arc技術制備CoCrNi基中熵合金，兼具GPa級強度與28.4% 均勻延伸率。

中/高熵合金（MEAs/HEAs）因其獨特的成分設計和優異的力學性能成為材料領域的研究熱點, 其中CoCrNi基中熵合金因其良好的韌性備受關注, 但較低的強度限制了其作為結構材料的應用。傳統通過添加Al/Ti元素引入L12相強化的方法往往面臨不連續析出（DP）行為導致的塑性下降問題, 而抑制DP通常需要復雜的熱機械加工路線。

近年來，增材制造（AM），也稱為3D打印，已被廣泛用于開發高性能金屬材料和直接制造幾何形狀復雜的部件。此外，作為逐層沉積的特征，由AM工藝產生的原位熱循環使得原位沉淀成為可能，而不需要熱處理。目前已經發展了多種AM技術，主要包括粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩大類。其中，粉末等離子電弧增材制造（PPA-AM）是一種采用等離子弧作為熱源、金屬粉末作為原料的DED-Arc技術。然而，PPA-AM較高的熱輸入和適中的冷卻速率導致制備的合金晶粒尺寸較為粗大。因此, PPA-AM制備的合金強度通常低于其他AM工藝制備的合金。有趣的是，在L12相強化的CoCrNi-AlTi中熵合金中，DP行為與晶界密切相關。DP行為始于晶界，并通過晶界擴散生長。因此，基于DED-Arc工藝特有的粗大柱狀晶微觀結構、原位熱循環效應和高過飽和固溶體特征，有望繞過傳統抑制DP行為所需的復雜熱機械加工路線，直接制備具有優異力學性能的L12相強化CoCrNi-AlTi中熵合金。

受上述分析的啟發，近期，溫州大學陳希章教授團隊與稀貴金屬綜合利用新技術國家重點實驗室（貴研鉑業股份有限公司）聞明研究員團隊合作，創新性地采用DED-Arc技術，利用其高熱輸入和適中冷卻速率的特點，通過粗大柱狀晶減少晶界數量并促進元素均勻分布，成功實現了L12相的高密度連續析出（CP）。具體來說，在本研究中，我們通過DED-Arc工藝成功地沉積了具有優異機械性能的Co30Cr18Ni42Al5Ti5MEA。熱處理對L12相的析出行為有很大影響。隨后，對沉積的合金進行了熱處理，以研究熱處理是否在獲得的CP行為的基礎上引起DP行為的轉變。系統研究了沉積態（As-printed）和熱處理態（QTAA）MEAs的微觀結構和力學性能。對變形和強化機制也進行了細致的研究。該工作可為利用AM技術制備具有優異力學性能的L12增強MEAs/HEAs提供指導。

相關研究成果以“Deposited Ductile-GPa CoCrNi-based FCC medium entropy alloy with continuously precipitation by directed energy deposition-Arc”為題刊登在《International Journal of Plasticity》。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104395

采用電弧定向能沉積技術制備了L12強化的Co30Cr18Ni42Al5Ti5中熵合金, 重點研究了該工藝對L12相析出行為的調控機制。結果表明, DED-Arc工藝的高熱輸入和中等冷卻速率的特點有效地抑制了不連續析出行為: 粗大的柱狀晶組織顯著減少了晶界數量; 適度的冷卻速度促進了Al/Ti元素的均勻分布, 消除了晶界偏析; 這種 “粗晶粒-元素均勻化”協同作用通過連續沉淀（CP）行為導致L12相在晶粒內的高密度分布。直接沉積的合金表現出千兆帕斯卡強度（~1090 MPa）和高均勻伸長率（~28.4 %）。此外, 沉積合金的后續熱處理證實了連續L12沉淀的熱穩定性, L12相體積分數增加, 同時保持 “FCC+L12”結構。這項工作為利用增材制造技術制造具有優異機械性能的 L12強化高熵合金和中熵合金提供了指導。

圖5. As-printed和QTAA MEAs微結構的TEM顯微圖:（a）、（b）和（c）明場STEM圖像顯示晶界和L12納米沉淀物。（d）從（b）獲得的STEM-EDS線掃。STEM-EDS線掃分別沿（e，f）的箭頭顯示在（b，c）中。鈷、鉻、鎳、鋁和鈦的（g1）層狀EDS圖譜和（g2-g7）STEM-EDS圖譜圖像。（g2）明場STEM圖像顯示晶界。（h）BF圖像顯示L12沉淀物（插圖:SAED圖案），（i）HR-TEM圖像顯示“FCC+L12”的結構。（i1）顯示L12的（I）的IFFT圖像。

圖6. 重構As-printed MEA的元素分布，顯示FCC和L12相之間的元素分配行為:（a）由APT測量得到的原子圖的3D重構，顯示L12沉淀物和FCC基體。（b）沉淀物/基體界面的成分分布的接近直方圖。

圖7. As-printed MEA微觀結構的TEM顯微圖:（a）顯示L12沉淀物的BF圖像（插圖:SAED圖案）。（b）和（c）顯示納米沉淀物的DF圖像。（d）連續沉淀物的HR-TEM圖像，其FFT圖案對應于用數字1和2標記的區域。（e）L12沉淀物的相應STEM-EDS圖譜。

圖8. QTAA MEA微觀結構的TEM顯微圖:（a）顯示L12沉淀物的BF圖像（插圖:SAED圖案）。（b）和（c）顯示納米沉淀物的暗場（DF）圖像。（d）連續沉淀物的HR-TEM圖像，其FFT圖案對應于用數字1和2標記的區域。（e）L12沉淀物的相應STEM-EDS圖譜。

圖9. 不同樣品的機械性能。（a）工程應力-應變曲線，（b）顯微硬度圖（插圖:每個MEAs的平均顯微硬度）,（c）YS、UTS和均勻伸長率的變化趨勢，（d）合金的YS和UTS與均勻伸長率的乘積。

圖12. As-printed MEA拉伸試驗后的TEM顯微圖:（a）BF圖像顯示滑移痕線（插圖:SAED圖案）。（b）BF圖像顯示高密度位錯和位錯胞。（c）和（d） BF圖像顯示了納米沉淀物和位錯堆積（插圖:SAED圖案）。（e）和（f）顯示SFs和L–C鎖的HR-TEM圖像和FTT圖案。

圖13. QTAA MEA拉伸試驗后的TEM顯微圖:（a）BF圖像，顯示HDDs和SFs與沉淀物之間的相互作用（插圖:SAED圖案）。（b）BF圖像顯示SFs網絡。（c）BF圖像顯示了納米沉淀物和SFs。（d） BF圖像顯示滑移跡線（插圖:SAED圖案）。（e）和（f）顯示SFs和L–C鎖的HR-TEM圖像和FTT圖案。

圖14. 強化機制對As-printed合金和QTAA合金YS的貢獻，以及計算值與實驗值的比較。

結論：

在本工作中，我們證明了DED-Arc可以有效地調節L12強化CoCrNi MEAs中L12相的析出行為。通過有效地抑制DP行為，DED-Arc工藝成功地制備了具有強塑性協同的Co30Cr18Ni42Al5Ti5MEAs。研究了熱處理對Co30Cr18Ni42Al5Ti5MEAs組織和性能的影響。主要結論如下:

1、采用DED-Arc工藝開發的L12相連續析出（CP）策略，成功制備出具有優異力學性能的Co30Cr18Ni42Al5Ti5中熵合金。沉積態合金的力學性能優于多數其他AM工藝制備的中/高熵合金，其屈服強度達736 MPa，抗拉強度1090 MPa，均勻延伸率28.4%。

2、熱處理后QTAA態合金的屈服強度、抗拉強度和均勻延伸率分別為849 MPa、1110 MPa和16.8%。變形機制研究表明，熱處理后納米級層錯網絡被激活，同時L-C鎖數量增加，這兩種因素共同提供了額外的變形機制，使合金在未激活變形孿晶的情況下仍保持高應變硬化率。

3、沉積態和熱處理態合金的高強度源于多種強化機制的協同作用，其中析出強化起主導作用，對兩種合金強度的貢獻率均超過70%。

4、本工作展示了DED-Arc沉積的Co30Cr18Ni42Al5Ti5中熵合金具有優異的力學性能，證明了該增材制造技術在工程應用中的巨大潛力。

通訊作者簡介:

陳希章，工學博士，教授，博導。國際焊接工程師(IWE)，溫州大學機電工程學院學術帶頭人，獲浙江省錢江學者特聘教授，浙江省“萬人計劃”科技創新領軍人才，浙江省151第一層次人才。主持國家自然科學基金、國際合作項目等10余項，企業合作項目20余項。兼任全國材料新技術發展研究會常務理事、中國焊接學會機器人與自動化專委會委員、中國機械工程學會高級會員等。主持獲得省部級獎特等獎、一等獎、三等獎等4項。指導的研究生獲得全國大學生創新創業大賽、全國挑戰杯等銀獎、二等獎等4項。發表TOP期刊封面論文等高水平文章100余篇，授權發明專利20余項，轉化4項。作為主編、副主編出版專著3部，教材2部。研究方向 （1）增材制造與再制造；（2）激光制造；（3）AI+制造；（4）表面工程。

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝作者團隊支持。