铌碳（NbC）添加后经热处理对激光粉末床熔融制备的高熵合金微观结构和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Influence of NbC addition followed by heat treatments on the microstructure and mechanical properties of a high entropy alloy fabricated by laser powder bed fusion

Al-Fe-Cr-Ti合金通过三种加工工艺调控双尺度微观结构，显著提升室温强度185.7MPa与延展性32.1%，同时保持高温性能优势。

　　

杨俊|王玉佳|杨庆波|丁立鹏|王奎|吴丽英|熊明华|王成林|沈一洲|贾志宏|李彦军

南京工业大学轻质材料重点实验室，中国南京 211816

摘要

Al-Fe-Cr-Ti合金具有优异的耐热性，但由于粗大的金属间相和加工缺陷而存在严重的脆性问题。本研究系统地探讨了不同的加工方法（喷雾成形（SF）、热挤压（EX）和增材摩擦搅拌沉积（AFSD）如何调控从室温到400°C范围内的双尺度微观结构及力学性能。喷雾成形产生了大量的孔隙（4.91%）和双尺度相（Al₃Ti和Al₁₃(Fe, Cr)₄），其伸长率仅为6.5%。热挤压消除了孔隙并细化了双尺度相，使伸长率达到11.2%，但晶界上仍存在颗粒装饰。增材摩擦搅拌沉积通过强烈的剪切作用将晶界偏聚的微米级Al₃Ti和Al₁₃(Fe, Cr)₄转化为均匀分布的颗粒，其尺寸分别减小到1.18 μm和0.8 μm。同时形成了纳米级的Al₃Ti和Al₁₃(Fe, Cr)₄（51 nm），形成了双尺度沉淀结构。这使得该合金在室温下的屈服强度达到185.7 MPa，伸长率为32.1%，与热挤压相比，延展性提高了187%，同时保持了相当的强度。与热挤压相比，增材摩擦搅拌沉积在350°C和400°C时的高温强度保持得更好，分别高出26.4%和25.0%。除了双尺度沉淀结构外，力学性能的提高还得益于：（i）消除了晶界脆化，使断裂模式从晶间准解理转变为晶间韧性；（ii）通过均匀的位错分布增强了加工硬化；（iii）降低了织构强度，促进了多滑移激活；（iv）通过细小的颗粒间距提高了阈值应力。研究表明，在Al-Fe-Cr-Ti合金中，强化相的空间分布而非绝对大小对强度-延展性的协同效应至关重要。

引言

结合高强度和优异的高温性能的轻质铝合金在航空航天、先进运输和能源领域作为结构部件的需求日益增加。Al-Fe-Cr-Ti合金因其能够形成热稳定的金属间相（如Al₁₃(Fe, Cr)₄和Al₃Ti）而成为一类有前景的高温铝合金[[1], [2], [3]]。例如，快速凝固的Al₉₃Fe₃Cr₂Ti₂合金在573 K时的抗拉强度约为350 MPa [4]。类似地，通过激光粉末床熔融制备的Al-4Fe-3Cr-2Ti合金在300°C时的屈服强度约为300 MPa [5]。

尽管这些合金具有优异的高温强度，但由于室温和高温下的塑性较差（室温下的伸长率通常低于5% [4,6,7]），其实际应用受到严重限制。脆性主要源于两个原因：（i）粗大的脆性基体相；（ii）制造缺陷。一方面，凝固过程中形成的微米级金属间颗粒在受力时成为裂纹的优先起始点[[8], [9], [10]]；另一方面，如喷雾成形（SF）这样的快速凝固方法通常会保留宏观孔隙（高达约4-5%），这会加速材料的早期断裂[11]。

为了克服这些限制，当前的研究正从单纯追求热稳定性转向微观结构的协同设计。在这种背景下，双尺度第二相结构的概念应运而生——即有意识地设计微米级和纳米级的第二相，并优化它们的空间分布，作为一种有前景的策略[12,13]。该策略旨在利用纳米级分散相来增强材料强度，同时控制微米级颗粒的大小和分布以提高延展性。

尽管这种双尺度概念在某些合金系统中已经取得了成功应用[[14], [15], [16]]，但在Al-Fe-Cr-Ti体系中的系统研究仍然较少，尤其是在不同加工路径（如SF、热挤压（EX）和增材摩擦搅拌沉积（AFSD）如何调控双尺度第二相结构，以及这些微观结构如何影响合金在不同温度下的变形和断裂机制方面。最近的研究表明，加工方法的改变可以显著改变金属合金的晶粒结构、相分布和强度-延展性平衡，强调了微观结构控制对提升机械性能的关键作用[4,5,10,[17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]]。特别是对于像AFSD这样的固态增材制造技术，尽管具有超细晶粒和精细的纳米分散相，但其高温延展性和断裂行为仍需进一步研究。

在本研究中，我们使用了固定成分的Al-Fe-Cr-Ti合金，通过三种不同的加工方法（SF、EX和AFSD）进行制备。我们关注以下科学问题：微米级和纳米级基体相的协同分布如何影响不同温度下的强度-延展性平衡及断裂机制转变？建立了加工-微观结构（孔隙率、基体相尺寸/分布、晶粒结构）-力学性能之间的关联，这有望为设计具有优异高温强度和可靠延展性的Al-Fe-Cr-Ti合金提供机制上的启示。

材料制备

材料制备

Al-2.5Fe-2.5Cr-1Ti（重量百分比）合金的实际化学成分如表1所示，该成分是根据文献综述和热力学分析设计的，旨在通过Fe-Cr组合形成热稳定的金属间化合物，并通过添加Ti来促进Al₃Ti的沉淀，从而降低其粗化速率，获得在200-400°C温度范围内具有优异性能的轻质材料。具有相同成分但微观结构不同的合金...

孔隙分布

图2展示了通过不同加工方法制备的Al-Fe-Cr-Ti合金的孔隙分布。孔隙形态和体积分数存在显著差异。喷雾成形合金具有广泛的异质孔隙，三维（3D）重建显示孔隙呈双峰分布——蓝色区域和红色区域分别对应大于和小于0.01 μm³的孔隙。使用Avizo 3D软件进行的定量分析确定其总孔隙率为4.91%

讨论

本研究通过不同的加工方法（SF、EX和AFSD）展示了材料的微观结构逐渐细化，每种方法都对相分布、晶粒结构和缺陷类型产生了不同的影响。理解这种演变对于建立Al-Fe-Cr-Ti合金的加工-微观结构-性能关系至关重要，特别是对于微米级和纳米级基体相的双尺度分布。

结论

本研究系统地研究了通过SF、EX和AFSD加工的Al-Fe-Cr-Ti合金的微观结构演变和力学性能发展，建立了双尺度沉淀系统的基本加工-微观结构-性能关系。得出以下结论：

• (1)
  喷雾成形形成了由微米级Al₃Ti（1.71 μm）和Al₁₃(Fe, Cr)₄（2.71 μm）相组成的异质双尺度微观结构，这些相主要集中在晶界处（占面积的26.5%），

CRediT作者贡献声明

杨俊：撰写——初稿。 王玉佳：概念构思。 杨庆波：撰写——审阅与编辑。 丁立鹏：撰写——审阅与编辑。 王奎：指导。 吴丽英：撰写——审阅与编辑。 熊明华：验证、指导。 王成林：验证、指导。 沈一洲：指导。 贾志宏：撰写——审阅与编辑、项目管理。 李彦军：指导。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52371111、52471136）、江苏省基础研究计划（BK20232025）以及江苏省重大科技专项（项目编号：BG2025020）的资助。