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3D科學(xué)谷洞察

通過增材制造極端非平衡凝固和復(fù)雜熱循環(huán)調(diào)控中熵合金初始位錯組態(tài)，可實現(xiàn)高密度位錯顯著提升合金強(qiáng)度而不損害塑性，能夠制造出具有優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)合金部件。高強(qiáng)度和高塑性的合金材料對于航空航天部件的制造至關(guān)重要，如飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)身結(jié)構(gòu)件等。該成果有望為航空航天等領(lǐng)域提供更輕、更強(qiáng)、更可靠的材料選擇?！?/p>

位錯是晶體塑性的本源，然而經(jīng)典位錯強(qiáng)化理論認(rèn)為材料的初始高密度位錯雖能有效提升合金強(qiáng)度但必然嚴(yán)重?fù)p害塑性。日前，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團(tuán)隊通過增材制造極端非平衡凝固和復(fù)雜熱循環(huán)調(diào)控中熵合金初始位錯組態(tài)，實現(xiàn)了高密度位錯顯著提升合金強(qiáng)度而不損害塑性，打破了位錯強(qiáng)化必然犧牲塑性的傳統(tǒng)教科書認(rèn)知。

相關(guān)成果以“Segregation-dislocation self-organized structures ductilize a work-hardened medium entropy alloy”為題，發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然·通訊》(Nature Communications)，西北工業(yè)大學(xué)為論文的唯一通訊單位。西北工業(yè)大學(xué)何峰教授、王錦程教授、林鑫教授為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)博士生郭博靜為第一作者。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56710-3

受自然界非平衡復(fù)雜系統(tǒng)的自組織臨界狀態(tài)啟發(fā)，團(tuán)隊通過增材制造技術(shù)獲得了偏析-位錯自組織結(jié)構(gòu)(SD–SOS)。研究結(jié)果表明，偏析-位錯自組織結(jié)構(gòu)一方面通過發(fā)射位錯和堆垛層錯提供位錯源，另一方面與滑移位錯動態(tài)交互作用，持續(xù)生成Lomer-Cottrell(L-C)鎖和割階實現(xiàn)位錯存儲。該組織有效的位錯增殖和存儲能力有利于變形亞結(jié)構(gòu)(平面滑移帶)動態(tài)細(xì)化，使得增材制造中熵合金展現(xiàn)出高位錯密度-高塑性協(xié)同。上述發(fā)現(xiàn)揭示了增材制造合金中位錯塑性的基礎(chǔ)，并提供了一種新的位錯工程策略。

采用激光選區(qū)熔化技術(shù)(LPBF)制備了Ni35Co35Cr25Ti3Al2中熵合金，在LPBF這一復(fù)雜非平衡系統(tǒng)中，溶質(zhì)偏析與高密度位錯之間動態(tài)相互作用形成胞狀組織，其尺寸的統(tǒng)計學(xué)特征符合自組織臨界特性。在偏析-位錯自組織結(jié)構(gòu)(SD–SOS)邊界處，存在層錯及L-C位錯鎖，兩相鄰SD-SOS間的取向差小于1°，低于傳統(tǒng)塑性變形產(chǎn)生的低能位錯結(jié)構(gòu)(LEDS)。

圖1激光選區(qū)熔化Ni35Co35Cr25Ti3Al2中熵合金微觀組織：a,EBSD-IPF圖；b,偏析-位錯自組織結(jié)構(gòu)( SD-SOS) 橫截面的STEM明場圖；c,SD-SOS組織能譜線掃結(jié)果表明邊界處Ti元素強(qiáng)烈富集，Co和Cr元素微弱偏析于SD-SOS內(nèi)部；d,采用自組織臨界理論的回歸分析(橫坐標(biāo)為歸一化SD-SOS尺寸) e, 弱束暗場圖顯示了堆垛層錯的分布；f,TEM明場圖像的組織特征;g,SD-SOS邊界處Lomer-Cottrell (L-C)位錯鎖; h, 反傅里葉變換圖顯示了L-C位錯鎖結(jié)構(gòu) i, SD-SOS邊界處反傅里葉變換圖和相應(yīng)區(qū)域的幾何相位分析結(jié)果。

激光選區(qū)熔化技術(shù)Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金表現(xiàn)出異常的強(qiáng)度-塑性協(xié)同。與傳統(tǒng)鑄態(tài)合金相比，沉積態(tài)合金強(qiáng)度翻倍并保持良好塑性。對鑄態(tài)合金進(jìn)行軋制以提高初始組織中位錯密度，可實現(xiàn)與沉積態(tài)合金類似的強(qiáng)度，但不可避免地?fù)p害塑性。沉積態(tài)合金在塑性變形早期展現(xiàn)出較高的應(yīng)變硬化率，且具有持續(xù)的應(yīng)變硬化能力。

圖2 Ni35Co35Cr25Ti3Al2中熵合金力學(xué)性能：a,沉積態(tài)及鑄態(tài)合金工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線,插圖顯示了沉積態(tài)拉伸試樣取樣示意圖;b,應(yīng)變硬化率/真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

動態(tài)滑移帶細(xì)化主導(dǎo)了Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金應(yīng)變硬化。沉積態(tài)合金產(chǎn)生密集分布的滑移帶，滑移帶可穿過SD-SOS邊界，部分中止于SD-SOS邊界處。變形亞結(jié)構(gòu)及位錯密度演化的定量分析表明沉積態(tài)合金具有更細(xì)小的平均滑移帶間距，在塑性變形早期和中期具有更高的位錯存儲速率。因此，沉積態(tài)合金中位錯快速增殖導(dǎo)致了平面滑移帶間距持續(xù)細(xì)化，從而通過增加應(yīng)變硬化和降低應(yīng)力集中來提供高的塑性。

圖3 Ni35Co35Cr25Ti3Al2中熵合金變形組織及其演化。a,鑄態(tài)合金在ε = 3%應(yīng)變水平下的ECCI圖片，表現(xiàn)出明顯的平面滑移特征；b,沉積態(tài)合金變形組織，其中部分平面滑移帶被SD-SOS邊界阻礙，如紅色箭頭所示;c,平均滑移帶間距隨真應(yīng)變的演化規(guī)律;d,鑄態(tài)和沉積態(tài)合金相似關(guān)系圖;e,位錯密度隨真應(yīng)變的變化;f,平均滑移帶間距與位錯密度的關(guān)系。

沉積態(tài)合金優(yōu)異的位錯增殖能力源于偏析-位錯自組織結(jié)構(gòu)(SD–SOS)，在塑性變形早期，位錯滑移活動起源于SD-SOS邊界，SD-SOS邊界可作為位錯源，發(fā)射位錯及層錯缺陷。除對位錯增殖的有益影響外，SD-SOS邊界/滑移位錯及SD-SOS內(nèi)部的滑移位錯頻繁的交互作用產(chǎn)生L-C位錯鎖和割階，促進(jìn)了廣泛的位錯儲存。

圖4激光選區(qū)熔化Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金SD-SOS組織誘導(dǎo)的位錯增殖及存儲機(jī)制。a,SD-SOS邊界處的位錯滑移活動；b,位錯從SD-SOS邊界處發(fā)射(由紅色箭頭指出)，白色箭頭顯示了位錯塞積;c,滑移位錯與SD-SOS邊界相互作用產(chǎn)生大量的L-C位錯鎖。插圖為白色矩形區(qū)域的HRTEM圖;d,TEM明場圖顯示了滑移位錯與SD-SOS邊界相互作用產(chǎn)生的割階;e,SD-SOS內(nèi)部位錯相互作用產(chǎn)生L-C 位錯鎖;f,胞內(nèi)滑移位錯交割產(chǎn)生割階;g,變形亞結(jié)構(gòu)演化示意圖。

綜上所述，激光選區(qū)熔化過程中，元素偏析與高密度位錯之間的時空交互作用形成了偏析-位錯自組織結(jié)構(gòu)(SD-SOS)，實現(xiàn)了高位錯密度-塑性協(xié)同。SD-SOS邊界充當(dāng)位錯源并阻礙位錯運動，SD-SOS內(nèi)部為位錯滑移及位錯反應(yīng)提供空間。SD-SOS誘導(dǎo)的位錯活動促進(jìn)了位錯的快速增殖和廣泛存儲，使變形亞結(jié)構(gòu)持續(xù)細(xì)化，為具有初始高密度位錯的合金提供了充足的應(yīng)變硬化能力。此外，作者指出SD-SOS可以通過調(diào)整增材制造工藝條件、溶質(zhì)偏析水平和合金層錯能進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)所需的性能。

西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院王錦程教授團(tuán)隊長期開展材料多尺度模擬計算、材料基因工程與合金設(shè)計、高熵合金及增材制造等方面的科研工作。近年來，團(tuán)隊先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃等國家級及省部級科研項目20余項，高水平論文200余篇，其中在Nature Communications, Acta Materialia, International Journal of Plasticity, Additive Manufacturing等國際頂級期刊發(fā)表論文40余篇，授權(quán)發(fā)明專利12項，獲省部級科學(xué)獎勵2項。西北工業(yè)大學(xué)材料微觀組織計算及合金設(shè)計課題組網(wǎng)站：http://www.jchwang.com/

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