1. 简介
本文系统研究了激光粉末床熔融（LPBF）成型的碳掺杂CoCrFeMnNi高熵合金（C-HEA）的低温拉伸行为。与室温变形相比，LPBF成型的C-HEA在低温下不仅表现出更高的屈服强度，同时延伸率显著提升。尤其在77 K时，C-HEA的延伸率是298 K时的两倍。
低温变形下，C-HEA的应变硬化率远高于室温塑性变形，这通过延缓塑性失稳显著提高了均匀延伸率。由于温度降低显著增加了C-HEA的流动应力，其在77 K的变形早期即可超过临界孪生应力。变形孪晶与纳米碳化物协同作用，促进了C-HEA在低温拉伸变形中的高背应力演化。本研究为开发适用于低温环境的增材制造高性能合金提供了新视角。
2. 文章亮点
1. 碳掺杂显著提升低温拉伸性能
通过激光粉末床熔融（LPBF）制备的碳掺杂CoCrFeMnNi高熵合金（C-HEA）在77 K下展现出优异的强度-延展性协同效应，延伸率较室温（298 K）提升两倍，归因于碳化物与变形孪晶的协同强化机制。
2. 低温变形激活高应变硬化率
C-HEA在77 K下应变硬化率显著高于室温，且呈现正向斜率，通过动态Hall-Petch效应（变形孪晶界阻碍位错运动）延缓颈缩，使均匀延伸率提升至38.9%（室温仅14.7%）。
3. 纳米碳化物与应变梯度协同强化
Cr23C6碳化物在低温下与基体产生高应变梯度，促进几何必需位错（GND）堆积，产生强背应力，从而在低温变形中实现高强度与高韧性的独特组合。
3. 研究背景
激光粉末床熔融（LPBF）作为最著名的金属增材制造技术，凭借其生产复杂形状金属零件的独特优势，在过去十年引领了全球制造业趋势。该技术通过高能激光束逐层堆叠金属粉末，可直接将计算机辅助设计（CAD）数据转化为三维实体。LPBF的独特性使其能够生产拓扑优化的轻量化零件，满足航空航天、汽车及医疗/牙科等领域对性能提升和用户定制化的需求。此外，近期研究表明，LPBF过程中的极端热循环可形成独特微观结构（如异质各向异性晶粒、纳米胞状结构及溶质偏析），其强度与延展性甚至优于传统锻造材料。因此，相较于传统热机械工艺，LPBF能通过更丰富的微观结构变量调控金属材料的力学性能，这促使大量研究聚焦于LPBF加工材料的微观结构演化与性能优化。
近年来，多主元合金（即高熵合金，HEAs）因其无单一主导元素的特性，成为LPBF工艺的研究热点。HEAs不仅具有多功能性能优势，LPBF成型HEAs的微观结构研究更为开发高性能合金提供了新思路。其中，单相面心立方（FCC）结构的CoCrFeMnNi HEA因微观结构简单且LPBF成型性能优异，被广泛用于研究工艺-组织-性能关系。该合金的置换型元素组成便于研究间隙原子（如碳）的影响——微量碳添加可通过在胞界形成纳米碳化物显著提升力学性能。
值得注意的是，CoCrFeMnNi HEA在低温下表现出卓越的强韧协同效应。当多数合金在低温下延展性和韧性骤降时，该合金在液氮温度（77 K）下仍能保持高强度与韧性，其低温断裂韧性远超现有报道的低温钢、镍合金等材料，因此在液化气体长距离运输、太空探索等低温应用中极具潜力。
航空航天领域对零件的气动外形和轻量化要求使LPBF成为关键制造技术。此外，开发具有优异低温韧性的结构材料对需在极端低温环境下运行的火箭、航天器至关重要。传统低温材料（如304L/316L不锈钢）在低温下的韧性较室温下降60%，而兼具LPBF成型性与低温性能的CoCrFeMnNi HEA有望成为未来行星探索中发动机部件等结构的候选材料。
尽管LPBF成型CoCrFeMnNi HEA在低温应用中优势显著，其低温拉伸行为研究仍匮乏。近期文献指出，温度从298 K降至77 K时，LPBFed CoCrFeMnNi合金强度显著提升但延展性几乎不变。而对于碳掺杂CoCrFeMnNi HEA（C-HEA），其室温性能已有报道，但低温性能研究更少。本研究通过LPBF制备C-HEA，分别在298 K和77 K下进行拉伸测试，结合多尺度微观结构分析系统探究其变形机制。
4. 图文解析
5. 文章结论
本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）制备了碳掺杂CoCrFeMnNi高熵合金（C-HEA），并系统研究了其在室温和低温（77 K）下的拉伸行为与变形机制。主要结论如下：
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低温下优异的强韧协同效应：C-HEA在77 K下表现出显著提升的屈服强度（920 MPa）和延伸率（39.2%），其均匀延伸率（38.9%）是室温（14.7%）的2倍以上。这种性能提升源于低温下更高的应变硬化率（WHR）及其正向斜率特性，通过延缓塑性失稳（颈缩）实现。
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变形孪晶与纳米碳化物的协同作用：低温下C-HEA的流动应力迅速超过临界孪生应力（860 MPa），促使变形早期即激活孪晶。孪晶界通过动态Hall-Petch效应阻碍位错运动，与纳米Cr23C6碳化物共同促进几何必需位错（GND）堆积，产生高背应力，从而显著提升应变硬化能力。
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背应力主导的低温强化机制：加载-卸载-再加载（LUR）试验表明，低温变形时背应力增幅远高于有效应力，证实应变梯度（由碳化物与基体硬度差异导致）和孪晶演化是强化的核心机制。这一发现为开发适用于极端低温环境的增材制造高性能合金提供了新思路。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104223
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《《Addit. Manuf.》前沿：韩国KIMS首创碳掺杂CoCrFeMnNi合金，增材制造+纳米孪晶协同实现低温超延展》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/kFaK3hX3uz2k3ycgHHgmHg
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