《Mater Design》增材制造多主元合金的相变诱导强化！

多主元素合金（MPEA）由于其革命性的合金设计方法而引起了广泛的研究兴趣。与传统的单主要元素合金相比，最初定义为多组分合金的MPEAs至少由5种主要元素组成，元素含量从5至35%，倾向于形成无规固溶体。这种特殊的微结构为MPEA提供了出色的性能。增材制造（AM）是生产用于学术研究和工业应用的三维金属零件的新兴技术，已经成功地制造了各种MPEA。与传统的铸造技术相比，AM技术能够获得更均匀的组织和更好的性能。MPEA常见成分中，经常使用价格较昂贵的金属，导致生产成本较高，限制了MPEA的广泛应用。

来自中国工程物理研究院、清华大学、新疆大学的研究人员通过激光金属沉积（LMD）制备出不同Fe含量的合金，其中双相（CrMnFeCoNi）50Fe50 MPEA合金，与CrMnFeCoNi MPEA相比，在强度保持不变的情况下（415-470MPa）可塑性从45%提升至77%，同时在低温下具有出色的机械性能。相关论文以题为“Phase transformation-induced strengthening of an additively manufactured multi-principal element CrMnFeCoNi alloy”发表在Materials and Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108999

研究发现在不多添加Fe的CrMnFeCoNi MPEA光谱中观察到代表面心立方（FCC）单相固溶体结构的（111）、（200）和（220）衍射峰。对于添加了10%至50%Fe的CrMnFeCoNi MPEA没有观察到沉淀相，当添加60%的Fe时，BCC相的（110）峰与FCC相的峰一起出现。添加了10%至50%Fe的LMD CrMnFeCoNi的金相组织均显示致密的长直圆柱状晶粒（长约1mm，宽0.5mm）。对于添加了50 %Fe的合金，与CrMnFeCoNi MPEA相比可塑性从50%提高到77%，而抗拉强度从415MPa提升到470MPa。在77K时，（CrMnFeCoNi）50Fe50合金的抗拉强度从878MPa提高到925MPa，但塑性从95%降低到60%。

图1 CrMnFeCoNi MPEAs中添加不同含量铁元素的XRD光谱和DSC曲线

图2 Fe含量不同的CrMnFeCoNi合金的金相组织（1、2和3分别代表样品的顶部，中间和底部）

研究人员通过EBSD确定在不同应变下新形成的BCC相的相分数变化。在断裂区域，BCC相的近似体积分数从0％增加到55％，而FCC相的体积分数从100％下降到45％。根据变形（CrMnFeCoNi）50Fe50合金的TEM和EBSD结果，从FCC到BCC的相变是应变诱发相变。这种无扩散现象与其他由应变诱发的FCC向BCC相变的HEA一致，表明亚稳FCC相可以转变为BCC相而无需元素的长距离迁移。

图3 添加了不同Fe的LMD CrMnFeCoNi样品在293 K（a）和77 K（b）时的拉伸曲线;（c,e）（CrMnFeCoNi）50Fe50 MPEA在293K时的断裂组织图

图4 （a）LMD制造的（CrMnFeCoNi）50Fe50样品无变形的IPF着色图和相分布；（b）（c）（d）分别为拉伸变形为5%、20%、断裂的样品的IPF着色图和相分布

图5 添加了50%Fe的LMD CrMnFeCoNi样品的TEM图像；（b）应变为70％时的TEM图像；（c）图像的局部放大；（d）变形样品的元素分布

综上所述，研究了通过LMD技术制备的（CrMnFeCoNi）xFe1-x合金的组织和力学性能。发现LMD制备的（CrMnFeCoNi）50Fe50 MPEA保持单相固溶体，在1500 K以下稳定。此外，（CrMnFeCoNi）50Fe50的性能增强是由于应变引起的FCC到BCC相变。本文提供了一种方法，添加低成本合金元素后通过相变强化来改善机械性能。（文：破风）