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亚微米级异质胞状结构提升镍基合金强度与塑性协调性研究。采用晶界偏析工程结合LPBF制备技术，在H230-Zr合金中形成Ni-Zr硬壳与软芯异质胞结构，通过背应力诱导HDI强化机制使屈服强度提升显著，同时发现该结构增强屈服强度各向异性但对抗拉强度和延展性影响较小。
作者：赵雅楠、马宗庆、周江、赵永峰、赵凯、顾东东
单位：南京航空航天大学材料科学与技术学院激光增材制造高性能构件江苏省研究中心，中国南京雨道街29号，210016
摘要
激光粉末床熔融（LPBF）制造过程中的超快冷却速率能够将晶粒尺寸细化到亚微米级别。这种独特的微观结构特征普遍存在于LPBF制造的金属材料中，其在机械性能方面的显著优势展现出巨大的发展潜力。在本研究中，我们充分利用了晶界偏聚工程以及广泛的胞状界面的自然结构前驱体，在LPBF制造的镍基超合金中构建了由内部软质胞体和外部Ni-Zr沉淀相硬壳组成的异质胞状结构。这种亚微米级别的异质结构显著提高了合金的强度，同时没有损失塑性。研究结果表明，与普通胞状结构相比，该结构能够显著增强晶粒对位错的储存能力，并延缓位错的长程滑移。此外，观察到这种结构能够增加屈服强度（YS）的各向异性，但对极限抗拉强度和伸长的各向异性影响较小。优异的强度来源于额外的异质变形诱导（HDI）强化效应，这归因于Ni-Zr壳层产生的背应力。在塑性变形初期，样品的水平和垂直方向上的背应力差异放大了YS的各向异性。本研究为利用LPBF技术的独特能力设计异质结构提供了战略指导，以实现先进合金在强度和延展性之间的最佳平衡。
引言
激光粉末床熔融（LPBF）是一种具有优异设计自由度和高精度的3D打印技术，在复杂几何部件的集成制造方面展现出显著潜力[1]、[2]、[3]。同时，其独特的逐层构建特性使得合金的微观结构与传统铸造和锻造材料明显不同。LPBF过程中的超快冷却速率（103-108 K/s）和微米级熔池导致高热梯度（G）/生长速率（R）比，从而促进了亚微米级胞状晶粒（也称为亚晶）的形成[4]、[5]。这些胞状结构沿着最大热耗散方向垂直于熔池边界生长[4]、[6]。通过层间重熔，胞状结构可以在多个沉积层中保持其原始取向[7]。LPBF制造的合金中的亚微米级胞状结构使得胞状界面的数量比传统铸造和焊接方法高出两个数量级。此外，胞状界面通常伴随着丰富的元素偏聚和高密度的位错缠结[8]、[9]。这种独特的胞状结构广泛存在于LPBF制造的镍基超合金、铝合金、不锈钢和高熵合金等材料的微观结构中[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。最近，许多研究者关注到胞状结构能够通过低错位取向的胞状界面对位错运动的不完全阻碍，从而为LPBF制造的合金提供优异的强化效果[15]、[16]。例如，Karthik等人[4]报告称，胞状结构在LPBF制造的CnSn合金中贡献了高达45%的屈服强度。Wang等人[17]指出，沿胞状界面的溶质偏聚可以增强位错钉扎并促进孪晶的形成，从而保持强度和塑性的协调。Chen等人[18]指出，LPBF制造的铝合金中的纳米级共晶胞状网络可以充当“位错笼”，使材料实现远超锻造材料的强度和塑性组合。进一步探索LPBF制造合金中独特胞状结构的应用潜力已成为开发具有优异机械性能材料的研究热点。
最近，许多研究通过调整微观结构的空间分布来构建异质结构，以实现强化和轻量化。研究表明，诸如梯度结构、层状结构和逆珍珠层结构等多种异质结构能够实现远超其均质对应物的强度和塑性[19]、[20]、[21]。这是因为具有异质结构的合金在塑性变形过程中在界面处积累了高密度的几何必要位错（GNDs），从而协调了由塑性不兼容性引起的应变梯度，导致额外的异质变形诱导（HDI）强化[22]、[23]。此外，大量研究报道，通过晶界偏聚工程（GBSE）向合金中引入微量元素可以调节微观结构，提高晶界的承载能力，从而降低界面失效的可能性[24]、[25]、[26]。除了晶界外，LPBF制造合金的胞状界面也发生元素偏聚。例如，在IN718合金中观察到大量的Laves相[27]，铝合金中通常存在Si和Cu元素的富集[28]、[29]，而不锈钢则常伴有Cr元素的偏聚[17]。
在大多数LPBF制造的合金中，胞间偏聚以偏聚元素或孤立沉淀相颗粒的形式存在，这些也可以起到强化作用，但远不如具有异质结构的复合材料[30]。通常，过量的晶界元素（B、Zr、Hf、Si等）含量会导致沿晶界连续分布的粗大沉淀物形成，从而对传统方法制造的合金的机械性能产生不利影响[31]、[32]。然而，LPBF过程的超快冷却速率抑制了元素的扩散和重新分布。广泛的胞状界面为晶界元素/沉淀相提供了大量的分散位点。因此，这为超过传统合金设计中通常采用的元素含量阈值提供了可能性。结合广泛的胞状界面和GBSE来调整微观结构中沉淀物的含量和分布，是获得LPBF制造合金中异质结构的一种有前景的方法。此外，尽管异质微观结构可以提供显著的强化效果，但其特定的空间分布往往会导致机械性能的各向异性[33]、[34]。考虑到LPBF制造的固有特性，微观结构中的胞状结构通常沿着构建方向进行外延生长。这种生长行为不可避免地导致沉淀相沿胞状界面的相应空间排列。因此，也有必要研究LPBF制造合金中发展的异质微观结构对机械性能的影响。
然而，目前大多数关于合金设计的研究都致力于减少镍基超合金中偏聚诱导的次生相含量，以抑制LPBF过程中的裂纹形成[35]、[36]、[37]。晶间沉淀相对镍基超合金的强化效果尚未得到充分关注。目前仍缺乏关于增加晶间沉淀相含量是否能够提高合金机械性能的研究。在我们之前的研究中，向Haynes 230合金中添加1 wt%的Zr显著增加了沉淀相的体积分数，同时有效抑制了裂纹的形成[38]。连续的沉淀相和晶粒网络构成了Zr优化Haynes 230合金中的独特异质微观结构。此外，Zr元素还可以改善镍基超合金的高温性能，如强度和抗蠕变性能[39]、[40]。在本研究中，我们验证了基于Zr优化Haynes 230合金的LPBF制造镍基超合金中利用GBSE构建异质胞状结构的可能性。此外，还对异质结构的塑性变形行为及其对机械性能的贡献进行了深入分析。通过比较建造样品和热处理样品的垂直和水平方向的机械性能，评估了异质胞状结构对机械各向异性的影响。本工作旨在为LPBF制造合金中独特胞状结构的进一步开发和利用提供新的策略。
附加信息
增材制造和样品制备
LPBF制造使用了气体雾化的球形粉末（图1a）。本研究中使用的合金是添加了1 wt% Zr的Haynes 230，记为H230AM。此外，还使用了商业化的Haynes 230（H230）以及添加了1.5 wt% Zr的Haynes 230（H230–1.5 Zr），以补充说明Zr元素在异质结构形成中的作用。上述合金粉末均为预合金化粉末。
异质胞状结构的特性
图2a和b分别展示了LPBF制造的H230AM合金沿水平和垂直方向的胞状结构的SEM显微照片。可以看出，水平方向的平均胞体尺寸约为610 ± 20 nm，胞界处分布着连续的沉淀相网络（图2a）。相比之下，垂直方向的胞体呈现出条纹状结构，胞界也装饰有连续的带状结构。
异质胞状结构的形成机制
H230AM合金中异质胞状结构的形成是由于凝固过程中Zr元素的重新分布。如图8a的示意图所示，Zr在镍基超合金中的低溶质分配系数（k < 1）意味着其在固态中的溶解度较低，最终以偏聚的形式存在[7]。因此，随着胞体的生长，大部分Zr溶质被排斥到固液界面。结论
在本研究中，通过向Haynes 230合金中添加1 wt%的Zr，获得了由Ni-Zr硬壳和胞体软质核心组成的亚微米级异质胞状结构，显著提高了合金的强度，同时没有过度损失塑性。我们证明了这种优异的强度来源于异质胞状结构带来的额外HDI强化效应。与普通胞状结构相比，异质结构能够产生
作者贡献声明
顾东东：资源获取、资金筹集。
赵凯：数据验证、数据管理。
赵永峰：资源支持。
周江：方法论设计、实验研究。
马宗庆：撰写 – 审稿与编辑、数据验证、资金筹集。
赵雅楠：初稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析。
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报告的工作。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2023YFB3712002）、国家自然科学基金（项目编号U22A20172和52171044）、苏州实验室开放研究基金（项目编号SZLAB-1108–2024-ZD003）以及北京自然科学基金（项目编号L241037）的支持。
