華東理工Scripta Mater：增材制造+超聲滾壓，打造航天級超低溫高性能合金
開發具有優異低溫性能的增材制造合金，有助于推動低溫應用領域復雜幾何結構部件的發展。
本研究通過超聲表面滾壓工藝（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度納米結構。所得合金在88 K下展現出顯著的強度-塑性平衡：斷裂應變達24.6%（是293 K時的2.07倍），屈服強度高達1274 MPa。其超高屈服強度源于增材制造和USRP工藝誘導的高密度位錯，而塑性提升的機制則來自兩方面：一是梯度層中動態回復抑制導致的異質變形誘導硬化效應增強；二是88 K下基體區域孿晶/微帶行為的激活（由堆垛層錯能降低和高流動應力共同促成）。
1. 梯度納米結構設計
通過超聲表面滾壓工藝（USRP）在增材制造的CoCrNi基中熵合金中引入梯度納米結構，顯著提升了材料在88 K低溫下的強度（屈服強度1274 MPa）與塑性（斷裂應變24.6%，較室溫提高106.8%），突破了傳統強度-塑性倒置關系。
2. 低溫變形機制創新
發現低溫下梯度層的動態回復抑制和基體區域孿晶/微帶行為的協同作用：前者增強異質變形誘導（HDI）硬化效應，后者因堆垛層錯能降低和高流動應力激活多重變形亞結構（位錯、層錯、孿晶），共同促進應變硬化。
3. 工藝協同優化策略
結合激光粉末床熔融（LPBF）與USRP技術，實現高密度位錯和梯度納米結構的協同調控，為增材制造復雜幾何部件在低溫應用中的高性能化提供了新途徑。
研究背景
高/中熵合金（HEAs/MEAs）近年來受到廣泛關注，其中具有面心立方（FCC）結構的中熵合金（MEAs）在低溫下展現出優異的斷裂韌性和塑性。然而，FCC MEA的低強度限制了其工程應用，亟需通過進一步優化以實現低溫下強度與塑性的平衡。激光粉末床熔融（LPBF）作為主流的增材制造（AM）技術，能夠為復雜幾何部件提供近凈成形解決方案，更重要的是，其引入的納米級胞狀結構可顯著提升材料強度。
梯度納米結構被認為是緩解強度-塑性倒置關系的有效途徑。例如，Pan等通過在HEA表面構建梯度胞狀納米結構，實現了強度與塑性的協同提升，其機制主要源于梯度納米層中堆垛層錯（SFs）和變形孿晶（DTs）的漸進形成。近期研究表明，增材制造結合表面改性技術（SMTs）可改善材料的強度-塑性平衡與疲勞抗性，這主要歸因于SMTs引入的梯度納米結構及表面缺陷閉合效應。然而，關于具有梯度納米結構的增材制造合金在低溫性能方面的研究仍較為匱乏。
基于此，本研究采用LPBF和超聲表面滾壓工藝（USRP）制備了具有梯度納米結構的CoCrNi基MEA。USRP能夠賦予材料高質量表面和深層梯度微觀組織。該合金在88 K下表現出優異的強度-塑性平衡：斷裂應變達24.6%（較293 K提高106.8%），同時屈服強度高達1274 MPa。通過中斷拉伸實驗和微觀表征發現，其低溫塑性提升的機制源于兩方面：一是梯度層中動態回復受抑制導致的異質變形誘導（HDI）硬化效應增強；二是基體區域因堆垛層錯能降低和高流動應力激活了孿晶/微帶行為。這些發現為增材制造復雜部件在低溫應用中的高性能化提供了新思路。
文章結論
本研究通過激光粉末床熔融（LPBF）結合超聲表面滾壓工藝（USRP）在CoCrNi基中熵合金中成功構建了梯度納米結構，實現了88 K低溫下優異的強度-塑性平衡（屈服強度1274 MPa，斷裂應變24.6%）。其高性能機制可歸結為以下三點：
梯度納米結構的協同強化：LPBF和USRP共同引入的高密度位錯（未變形樣品達1.12×10^15 m^-2）和晶粒細化效應（梯度層平均晶�？v橫比降至2.17）顯著提升屈服強度，其中位錯貢獻416 MPa，晶界強化貢獻182 MPa。
低溫抑制動態回復：88 K下梯度層的動態回復被顯著抑制，導致異質變形誘導（HDI）硬化效應增強（HDI應力增量較293 K提高80%），同時納米壓痕測試顯示梯度層硬度持續上升（對比293 K的停滯狀態）。
多重變形機制激活：低溫下基體區域因堆垛層錯能降低和高流動應力，激活了孿晶/微帶行為（孿晶密度達4.86×10^11 m^-2），并與位錯（增量2.5×10^14 m^-2）協同作用，通過減少位錯平均自由路徑和促進位錯互鎖，提供持續應變硬化。
全文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115885
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