综述：基于CoCrNi合金的激光增材制造的进展与展望：综述

《Journal of Alloys and Compounds》：Advances and outlook in laser additive manufacturing of CoCrNi-based alloys: A review

激光增材制造技术为CoCrNi基合金的近净成形提供了新途径，系统研究了加工参数与粉末特性对成型质量的影响，阐明凝固参数和元素掺杂对微观结构演化的作用机制，总结机械性能与热处理优化效果，并展望未来研究方向。

　　

谭俊杰|刘焕强|刘伟伟|李万阳|宋建荣|马宗宇|耿毅|李涛|王玉玲|雷白茂|陈强|张洪超

大连工业大学机械工程学院，中国大连116024

摘要

基于CoCrNi的合金由于其优异的机械和物理性能，在材料科学领域成为研究热点。激光增材制造（LAM）技术凭借其高冷却速率和逐层制造的优点，为这些多主元素合金的近净成形生产、精确的微观结构控制以及整体性能提升提供了新的途径。然而，关于CoCrNi基合金的LAM系统的系统综述仍然相对较少。为了填补这一空白，本文全面总结了该领域的最新进展。文章具体阐明了关键加工参数和粉末特性对成形质量的影响，并分析了由凝固参数和元素掺杂所控制的微观结构演变机制。这些合金的综合机械和功能性能，包括显微硬度、拉伸和压缩性能、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性也得到了总结。此外，本文还讨论了热处理在调整合金微观结构和优化其机械性能中的作用。最后，本文对未来研究方向进行了展望，旨在为激光增材制造的CoCrNi基合金的基础研究及其工程应用提供理论指导和技术支持。

引言

材料的发展是人类文明进步的核心线索，从石器时代到金属时代。其中，作为现代工业基石的金属材料极大地推动了社会生产力的发展。传统的合金系统（如铝合金、镁合金和钛合金）主要基于单一或两种主要元素设计，其性能通过微合金化得到优化[1]、[2]、[3]。然而，在航空航天、深海勘探和核工程等前沿领域日益苛刻的服务条件下[4]、[5]、[6]，传统合金系统逐渐无法满足性能要求。因此，突破传统设计概念并开发新的高性能金属材料已成为一个紧迫而重要的科学任务。

作为一种革命性的材料设计概念，高熵合金（HEAs）为克服传统材料的性能限制提供了新的途径。这一概念由Yeh等人在2004年[7]和Cantor等人[8]提出，代表了一种创新的多主元素合金设计策略。与基于单一主要元素的传统合金不同，HEAs由多种主要元素以近乎等原子比例组成（通常每种元素的比例在5%到35%之间），如图1所示。这类系统中的高熵效应倾向于抑制脆性金属间化合物的形成，从而促进稳定的简单固溶体结构的形成[9]、[10]、[11]。得益于四种核心效应——高配置熵[12]、严重的晶格畸变[13]、缓慢的扩散[14]和“混合”效应[15]，HEAs通常展现出卓越的机械和物理性能组合。这些性能包括高强度[16]、良好的延展性[17]、出色的耐磨性[18]、优异的耐腐蚀性[19]以及优越的抗辐照性[20]。此外，它们即使在高温和低温环境下也能保持稳定的机械响应[21]、[22]、[23]、[24]。从相结构的角度来看，面心立方（FCC）HEAs通常具有优异的延展性和耐腐蚀性，但其强度相对较低。相比之下，体心立方（BCC）和六方密排（HCP）HEAs具有更高的强度，但其延展性往往受到限制[25]。近年来，随着研究的深入，它们的成分设计已不再局限于最初的“高熵”范畴，而是逐渐扩展到“中等熵”范围[26]。尽管混合熵值和主要元素的数量存在差异，但这些合金都属于由多种主要元素组成的复杂系统。因此，在文献中它们通常被统称为“多主元素合金（MPEAs）”[27]、[28]。在这些系统中，基于CoCrNi的合金因其室温和低温下的优异机械性能而受到广泛关注，超过了传统的Cantor合金（CoCrFeMnNi HEA）。然而，它们的适中屈服强度限制了其更广泛的工程应用。为了解决这一瓶颈，研究人员引入了C[29]、Al[30]、Ti[31]、Nb[32]、Mo[33]、Ta[34]和W[35]等合金元素，旨在触发包括固溶强化、晶格畸变和第二相沉淀在内的多种强化机制的协同效应。基于此，一系列高性能的CoCrNi基合金已被成功开发出来，并对其微观结构演变与机械性能之间的关系进行了系统研究。

然而，MPEAs的制备仍然主要依赖于传统的铸造和熔炼工艺。这些方法容易出现偏析、收缩孔隙和气孔等缺陷，同时在制造具有复杂内部结构的大规模金属部件或零件时也存在显著局限性[36]、[37]。为了确保合金成分的均匀性和服役性能，这些工艺通常需要额外的复杂后处理和热处理程序。这不仅显著延长了生产周期和增加了制造成本，还阻碍了这些MPEAs的发展和更广泛的应用。因此，增材制造（AM）技术凭借其在近净成形复杂部件、精确控制局部熔池和极高冷却速率方面的独特优势，逐渐被引入到MPEAs的制备中[38]、[39]。采用逐层制造方法，AM为设计和制造定制部件提供了极大的灵活性，从而为解决MPEAs固有的加工挑战提供了有希望的途径[40]。由于MPEAs的多组分特性，它们在传统加工条件下经常面临熔体流动性差和原子扩散缓慢的问题，这容易导致成分偏析和微观结构不均匀。相比之下，AM——特别是激光增材制造（LAM）——利用其特有的微观尺度熔池和超高冷却速率，不仅有效抑制了元素偏析，还显著抑制了晶粒生长并促进了晶粒细化，从而同时提高了材料密度和强度[41]、[42]。目前，LAM主要包含两种技术：激光粉末床熔融（L-PBF）[43]和激光定向能量沉积（L-DED）[44]。前者技术特别适合制造具有复杂内部特征的精密部件，而后者则更适合快速制造高性能的大规模金属部件[45]。

近年来，通过LAM制造基于CoCrNi的合金已成为重要的研究焦点。然而，关于这一合金系统的全面系统综述仍然缺乏。为了解决这一空白，本文总结了LAMed CoCrNi基合金的最新进展，系统研究了激光加工参数对其成形质量的影响，阐明了凝固参数和元素掺杂对微观结构演变的影响，并对其机械性能和潜在强化机制进行了深入总结。同时，本文还讨论了热处理在调节微观结构和性能中的作用。最后，本文对LAMed CoCrNi基合金的未来研究方向和趋势进行了展望，旨在为该领域的后续研究提供基础参考。

部分摘录

激光粉末床熔融

L-PBF的核心原理是通过高能激光束选择性地熔化粉末床中的粉末，然后逐层沉积和固化，以实现三维部件的近净成形，如图2所示。典型的L-PBF系统包括激光系统、振镜、构建平台和惰性气体室[49]。在制造之前，首先创建目标部件的三维（3D）实体模型

激光增材制造工艺参数

LAM是一种先进的材料加工技术，能够实现精确的材料沉积和通过控制激光能量输入来主动调节性能。其核心物理过程涉及一系列复杂的热物理现象，包括具有特定性能的金属粉末的制备，以及AM过程中的顺序热行为，如加热、熔化和金属材料的固化。以L-PBF为例，工艺参数

微观结构

材料微观结构的形态特征主要受关键凝固参数的影响，如温度梯度（G）、凝固速率（R）、冷却速率（T）和成核密度（N₀）[78]、[114]、[115]。通过LAM制造的CoCrNi基合金通常沿构建方向呈现柱状晶粒，顶部区域则主要形成等轴晶粒[116]。这种微观结构差异的根本原因在于

展望

近年来，基于CoCrNi的合金因其卓越的机械性能而引起了广泛关注。LAM技术为实现这种合金的复杂结构成形和性能调控提供了新的方法。展望未来，LAMed CoCrNi基合金的发展可以重点关注以下方面：

结论

LAM技术为CoCrNi基合金的制备和性能调控提供了高度灵活的方法。本文系统回顾了该领域的研究进展，结果表明：

作者贡献声明

宋建荣：监督、概念构思。李万阳：撰写——初稿、数据管理。马宗宇：撰写——审稿与编辑、监督。李涛：监督、资金获取。耿毅：监督、软件使用。雷白茂：数据管理。王玉玲：监督。张洪超：监督。谭俊杰：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、数据分析、概念构思。陈强：监督、概念构思。刘伟伟：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号52575563、52475512和U24A20137）的支持。此外，我们感谢温州大学的彭康博士在本文准备过程中提供的帮助。