《Journal of Alloys and Compounds》：Volume energy density induced grain refinement and enhanced mechanical properties of FeCoCrNiMn high-entropy alloy fabricated by Selective Laser Melting (SLM)
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本研究通过系统调整选择性激光熔化（SLM）参数，探究体积能量密度（VED）对FeCoCrNiMn高熵合金微观结构和力学性能的影响。低VED促进晶粒细化、高密度晶界和孪晶形成，从而提升合金的屈服强度和抗拉强度；而高VED导致孔隙率增加、晶粒粗化，并改善均匀延伸性。精确控制VED可实现晶结构优化与力学性能的平衡，提升合金综合性能。
Tao He|Jiani Huang|Muhammad Rehan|Linhe Sun|Wenjie Lu|Juan Chen|Yinhui Wang|Hui Deng|Suet To|Xusheng Yang|Wai Sze Yip
中国香港特别行政区九龙红磡香港理工大学工业与系统工程系超精密加工技术国家重点实验室
摘要
本研究探讨了体积能量密度对通过选择性激光熔化（SLM）制造的FeCoCrNiMn高熵合金微观结构和力学性能的影响。通过系统地改变激光加工参数，评估了其对晶体形态、晶粒细化以及力学性能（包括孔隙率、抗拉强度、显微硬度和耐磨性）的影响。结果表明，较低的体积能量密度有助于显著细化晶粒，增加晶界和孪晶的密度，并形成类似棋盘的晶体结构。这些微观结构特征增强了合金存储位错和能量的能力，从而提高了屈服强度和最大抗拉强度。相反，较高的体积能量密度会增加孔隙率、晶粒尺寸和织构强度，并导致以晶内断裂为主的断裂模式，从而改善了均匀伸长率。总体而言，在SLM加工过程中精确控制体积能量密度可以优化晶粒结构和力学性能，实现FeCoCrNiMn高熵合金在抗拉性能、应变硬化、韧性和耐磨性方面的理想平衡。
引言
选择性激光熔化（SLM）技术作为一种广泛应用于增材制造领域的工艺，能够直接制造出结构复杂的部件，同时支持环保设计。与铸造、真空感应熔化和热压烧结等传统方法相比，SLM提高了加工效率并降低了设备成本，从而促进了金属粉末的可持续利用。通过快速熔化和凝固过程（涉及多次固-液-固相变），SLM不仅利用了高温梯度和快速冷却速率来抑制合金中有害次要相的形成，还促进了柱状晶粒和亚微米级胞状结构的生长[1]、[2]。大量研究[3]、[4]、[5]表明，均匀的单相面心立方（FCC）固溶体具有优异的性能，包括高硬度、抗氧化性和耐磨性。柱状晶粒的广泛形成改变了材料的断裂行为，使得晶间断裂成为主要模式，显著提高了金属的韧性。亚微米级晶体结构的存在有效阻碍了位错的运动并增加了位错存储能力，从而提高了抗断裂性和抗拉强度[6]、[7]。因此，作为一类有前景的多组分金属材料，利用SLM技术制备的高熵合金可以利用该技术的优势。
与传统二元合金相比，高熵合金通常由五种以上的金属元素组成。由于其较高的混合熵，这些合金倾向于抑制复杂金属间化合物的形成，而是促进简单晶体结构（如FCC相）的发展。具有这种结构的合金通常表现出一系列理想的力学性能。其中，由Fe、Co、Cr、Ni和Mn组成的五元高熵合金因其优异的力学性能而被广泛研究[8]。FeCoCrNiMn合金最初由Cantor等人在2004年提出[9]。它具有典型的FCC结构，其中Fe、Co和Ni作为FCC稳定剂，而Cr和Mn则提高了耐腐蚀性和力学性能的多样性。这五种元素之间的原子半径差异较小，促进了稳定固溶体的形成而非简单的金属间化合物，从而实现了高强度、延展性和耐腐蚀性以及热稳定性。FeCoCrNiMn合金具有出色的强度重量比和优异的低温韧性，使其成为制造轻质高强度结构部件的理想候选材料。这表明其在航空航天领域具有巨大的应用潜力。在医疗领域，其优异的生物相容性和力学性能使其成为定制骨科植入物和牙科修复体的理想选择，尤其是在需要高强度和耐腐蚀性的环境中[10]。
此外，通过SLM技术制造的FeCoCrNiMn合金在疲劳载荷下表现出由纳米孪晶引起的塑性增强效应，进一步扩展了其在高循环疲劳环境中的适用性[11]。对该合金的广泛研究证实了其在增材制造中的优异加工适应性和微观结构稳定性，使其成为研究高熵合金加工特性和性能发展的理想模型材料。Xu等人[12]报告称，使用SLM技术制造的FeCoCrNiMn合金表现出均匀的元素分布和由蜂窝状亚晶粒组成的微观结构，晶界角度小于5°。Liu等人[13]使用SLM技术制备了FeCoCrNiMn，并观察到以柱状树枝晶为特征的单一FCC相。此外，SLM过程中的高冷却速率导致位错和亚结构的密度增加，提高了合金的动态屈服强度和应变硬化率。Chew等人[14]通过激光辅助打印制备了高强度的CoCrFeNiMn合金，实现了518 MPa的屈服强度和660 MPa的抗拉强度。这种增强主要归因于细化晶粒导致的晶界强化。
为了进一步提高高熵合金的性能并研究其力学性能的演变，研究人员开始研究激光参数对这些合金微观结构和性能的影响。在FeCoCrNiMn的激光打印过程中，优化激光参数起着关键作用，直接影响合金的微观结构、力学性能和整体成型质量。一些研究人员提出了体积能量密度（VED）的概念，认为在SLM过程中，激光扫描速度和激光功率共同决定了VED，进而影响熔池温度分布、冷却速率和凝固行为。因此，可以通过标准化扫描速度和激光功率的影响来评估这些参数对合金性能的综合效应。例如，Li等人[15]发现，VED为74 J/mm3时，FeCoCrNiMn样品的相对密度达到98.2%，表面光洁度显著提高。此外，Zheng等人[16]发现，在VED恒定的情况下改变扫描速度和激光功率会导致晶体结构和织构取向的变化，从而影响合金在微观尺度上的力学性能。这些发现为优化SLM激光参数提供了重要指导，因为选择适当的VED可以显著提高材料的力学性能和打印质量。
尽管先前的研究表明，优化激光参数（如扫描速度和激光功率）可以显著减少SLM制造的FeCoCrNiMn高熵合金的打印缺陷并改善其力学性能，但SLM技术在FeCoCrNiMn体系中的应用仍处于探索阶段。由于当前激光参数（如扫描速度和激光功率）的探索范围相对狭窄，且未能全面系统地将打印参数与材料的微观结构和力学性能相关联，因此在研究形成机制和优化参数方面仍存在挑战。因此，迫切需要系统全面地研究更广泛激光参数对该合金微观结构演变和力学性能的影响。在本研究中，使用不同的激光参数通过SLM制备了FeCoCrNiMn高熵合金，比较了所得样品的力学性能（包括硬度、抗拉强度和应变硬化率），并分析了其微观结构。通过将特定的激光加工条件与观察到的微观结构和力学行为的变化相关联，本研究提供了对SLM处理高熵合金性能演变机制的详细理解。最终，这些发现为针对性优化激光参数提供了宝贵的见解，有助于开发具有定制性能的高性能高熵合金。
章节摘录
粉末和样品制备
采用真空感应熔化气体雾化方法制备了等原子组成的FeCoCrNiMn高熵合金粉末。所使用的设备是VIGA-100真空感应熔化气体雾化系统，该系统由两个主要部分组成：真空感应熔化炉和粉末生产系统。为了制备等原子比的FeCoCrNiMn粉末，将五种不同元素（Fe、Co、Cr、Ni和Mn）的锭放入熔化炉中并进行处理
孔隙率
图3展示了在不同激光参数下打印样品的孔隙率。结果表明，增加激光功率同时降低扫描速度会导致样品表面出现更多的空洞。通过检查表II中列出的VED值可以进一步阐明这一趋势。值得注意的是，在VED为611.11 J/mm3时，如图3所示，孔隙密度最高。相反，当VED低于277.78 J/mm3时，样品表面的孔隙较少
结论
本研究探讨了不同激光功率和激光速度对使用SLM技术制备的FeCoCrNiMn高熵合金微观结构和晶体形态的影响。进一步基于这些结构和形态分析了样品的力学性能。研究得出了以下具体发现：
1)VED的增加可能导致熔池不稳定并形成大量孔隙，从而增加样品的孔隙率。
作者贡献声明
Muhammad Rehan：方法学、调查、正式分析、数据管理。Jiani Huang：可视化、验证、软件、方法学、调查。Tao He：撰写——原始草稿、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。Wai Sze Yip：撰写——原始草稿、可视化、监督、资源管理、方法学、资金获取、正式分析、数据管理。Yinhui Wang：监督、软件、资源管理、方法学。Juan Chen：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：52205498/K-ZGFT）；中国香港特别行政区创新科技委员会（ITC）的香港国家重点实验室；中国香港特别行政区研究资助委员会（RGC）的一般研究基金（GRF）（项目编号：PolyU 15220724）的支持；以及
