《Materials Science and Engineering: A》：Cyclic deep cryogenic treatment enables improved mechanical properties and residual stress in additively manufactured CrCoNi medium-entropy alloy
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循环深冷处理（CDCT）可有效提升激光增材制造CrCoNi中熵合金的力学性能和残余应力分布，通过增加CDCT循环次数形成致密位错、孪晶和堆垛层错，增强材料抗位错滑移能力并提前激活动态Hall-Petch效应，实现强韧协同。
赵文杰|苏双|李洪革|高晓宇|王国东|赵天旭|白后义|宁志良|范洪波|孙建飞|黄永江
哈尔滨工业大学金属精密热加工国家重点实验室，中国哈尔滨
摘要
本文报道了循环深冷处理（CDCT）对激光定向能量沉积的CrCoNi中熵合金的微观结构、机械性能和残余应力影响。增加CDCT循环次数可以提高合金的抗拉强度和压缩残余应力（CRS），这归因于CDCT过程中粘塑性变形的反复激活，导致CRS增加以及合金内部形成了密集的位错、孪晶和层错。在变形过程中，这些由CDCT诱导的晶体缺陷增强了位错滑移的抵抗力，并提前激活了动态霍尔-佩奇效应，从而实现了强度与塑性的协同作用。预计本研究可以为提高增材制造合金的性能提供新的见解，从而扩展其工业应用。
引言
等原子比的CrCoNi作为一种重要的中熵合金（MEA），具有优异的低温机械性能、耐腐蚀性和抗辐射性，因此在航空航天和深海勘探等极端条件下展现出显著的应用潜力[[1], [2], [3], [4]]。在这些条件下使用的部件通常具有复杂的几何形状，甚至需要设计不规则的孔洞以减轻重量。在这种情况下，考虑到时间成本、部件性能和制造难度，常用的金属部件制造工艺（如铸造和锻造）已不再适合制造这些部件。
激光定向能量沉积（LDED）是一种先进的增材制造技术，能够通过逐层逐轨沉积直接制造复杂部件。LDED制造的部件的机械性能可与锻造件相媲美，满足航空航天和深海环境等极端条件下的使用要求[5,6]。最近对LDED处理的CrCoNi MEA系统的研究验证了其工程可行性[7,8]，然而，在制造的部件中系统地观察到了显著的残余应力积累。为了确保后续加工的准确性，通常采用应力释放热处理来消除这些残余应力[9]。然而，虽然这一过程消除了有害的残余应力，但也导致了有益的压缩残余应力（CRS）的丧失，从而导致硬度、抗拉强度、耐腐蚀性和耐磨性等关键性能的下降。因此，必须通过表面机械强化工艺重新引入CRS[10]。这种多步骤的后处理工作流程不仅过程繁琐，还显著增加了时间和经济成本[11]。因此，开发一种高效、低成本的新型后处理工艺对于促进LDED制造的CrCoNi MEA的实际工程应用具有重要意义。
深冷处理（DCT）是指在低于-130°C的温度下对金属部件进行的后处理工艺。该技术最初是为修改钢的相组成而开发的，现已证明在调节增材制造合金（包括铝合金[12]、钛合金[13]、镁合金[14]和钢[15]）的残余应力以及优化机械性能方面具有卓越的效果。值得注意的是，Zhou等人[12]报告称，经过24小时的DCT处理后，激光粉末床熔融形成的AlSi10Mg合金的残余应力减少了72.7%。Li等人[14]发现DCT促进了激光粉末床熔融形成的WE43镁合金中的沉淀形成，从而提高了抗拉强度和塑性。最近，Li等人[16]揭示DCT可以同时提高LDED制造的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）的强度和塑性。此外，他们还对合金进行了循环深冷处理（CDCT），即多次DCT循环[17]。他们发现，随着CDCT循环次数的增加，合金内部形成了更高密度和更随机分布的晶体缺陷，甚至观察到了hcp相和纳米晶粒的出现，这些在未经DCT处理的合金中从未观察到。同时，经过CDCT处理后，合金内部的残余应力也发生了变化，残余应力梯度减小，压缩残余应力状态的区域增加。
上述研究表明，与DCT相比，CDCT在改善LDED制造的CoCrFeMnNi HEA的机械性能和调节残余应力方面更为有效。受这些问题的启发，本研究采用CDCT作为热处理策略，以优化LDED形成的CrCoNi MEA的残余应力分布和机械性能。通过实验表征和模拟，研究了MEA对不同CDCT循环的微观结构和性能变化，并揭示了CDCT对微观结构的有效机制。预计本研究可以为提高增材制造合金的性能提供新的策略。
章节摘录
材料制备和CDCT处理
LDED工艺所用的原始CrCoNi粉末是通过气体雾化法生产的（北京燕邦新材料科技有限公司，中国）。如图1(a)和(b)所示，CrCoNi粉末大多呈球形，D50值约为52.3 μm。LDED工艺使用的基材为尺寸为50 mm × 50 mm × 15 mm的AISI 1045钢板。沉积前，用砂纸清洁基材的工作表面，并用无水乙醇擦拭。之后进行LDED工艺
CDCT处理样品的微观结构特征
图3显示了CrCoNi MEA粉末和CDCT处理样品的XRD图谱。可以看出，所有样品都具有单一的FCC结构，(111)衍射峰存在差异。与CrCoNi粉末相比，CDCT处理样品的(111)峰随着CDCT循环次数的增加而向右移动，表明合金内部的CRS增加（图3(b)）。同时，图3(c)中显示的半高宽（FWHM）也随着CDCT循环次数的增加而增加，表明
残余应力的演变机制
先前的研究表明，金属材料在深冷处理过程中的微观结构特征与残余应力密切相关[17,30]。本文通过数值模拟研究了LDED制造的CrCoNi MEA在CDCT过程中的残余应力演变。所使用的理论方程和热物理参数见
补充材料。
图10展示了单次CDCT循环过程中应力的变化。
结论
在本研究中，采用循环深冷处理（CDCT）工艺来提高LDED制造的CrCoNi MEA的性能，显著提高了硬度、屈服强度和压缩残余应力（CRS）。通过实验表征，建立了CDCT循环次数、微观结构演变和机械性能之间的关系。通过模拟阐明了CDCT对微观结构的影响及其相应机制
CRediT作者贡献声明
赵文杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据管理。
苏双：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。
李洪革：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。
高晓宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。
王国东：监督，撰写 – 原稿，撰写 – 审稿与编辑。
赵天旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：52371106、52371025和52501037）的资助。
