《INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY》：Engineering stacking fault energy and hierarchical precipitates in a near-fully recrystallized DED Ni-based multi-principal element alloy
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激光增材制造中Ni基多主元合金通过Al/Ti/V添加调控堆垛层错能（SFE）和分层沉淀，实现近完全动态再结晶，最终获得790 MPa屈服强度、1164 MPa抗拉强度和24.6%均匀延伸率的优异力学性能。
吴仁豪|朴孝真|李在亨|李世宇|徐龙飞|李铎元|斯蒂芬·舍内克|贾拉尔·康加齐安|李天乐|李晓青|金亨燮
韩国浦项科技大学铁基与生态材料技术研究生院，浦项，37673
摘要
激光增材制造过程中固有的快速凝固速率和元素偏析会导致热残余应力和亚稳态微观结构，可能进而降低材料的机械性能。为了解决这一问题，我们通过调整堆垛错能（SFE）和层次化析出机制，实现了基于镍的多主元素合金的近乎完全再结晶。在相图计算和密度泛函理论的指导下，设计并制备了一种含有Al/Ti/V添加剂的Ni-Cr-Fe-Co基合金，这种合金在直接能量沉积（原位）合金化的过程中形成了中等水平的堆垛错能，并生成了层次化的析出物（主要为体心立方（BCC）相和次级纳米级针状相）。这些析出物均匀分布在晶粒内部，而在晶界处的形成较少。这种微观结构的变化进一步促进了在严重塑性变形条件下的动态再结晶。结果，沉积后的合金具有约92%的再结晶晶粒，屈服强度为790 MPa，抗拉强度为1164 MPa，均匀伸长率为24.6%，多尺度表征证实了再结晶晶粒内析出物与塑性变形之间的相互作用。本研究表明，通过工程化堆垛错能和层次化析出机制可以提升材料的动态再结晶能力及综合机械性能，为增材制造的镍基合金提供了一种通用策略。
引言
激光增材制造（LAM）是一种集材料设计、加工和制造于一体的变革性技术，能够有效调控材料性能（Song等人，2023；Wang等人，2018；Ye等人，2024）。特别是定向能量沉积（DED）技术，通过空间可控的成分调控实现了高效率的材料合成与验证（Deirmina等人，2023；SaGong等人，2024）。基于镍的多主元素合金（MPEAs），由于具有体心立方（FCC）基体结构及多种主要元素（Ni、Fe、Co、Cr等）（Tian等人，2025），成为适用于极端环境的优异结构材料候选者（Bai等人，2023；Li等人，2019；Wu等人，2024）。
最近在镍基MPEAs领域通过原位合金化和多尺度微观结构工程方面的突破，显著提升了材料的强度-延展性性能，这得益于完全有序的L12超晶格和体心立方（BCC）析出物的形成（Pan等人，2024；Sun等人，2021）。值得注意的是，即使是基础的Ni-Co-Cr-Fe体系在快速凝固条件下也能形成富Cr的BCC析出物，从而增强材料强度（Andreoli等人，2021；He等人，2024）。此外，我们对Al/Ti/V改性的Ni MPEAs的初步研究证实了这些微量元素在调控微观结构特征（包括析出物、堆垛错和位错结构）以及机械性能方面的重要作用（Lee等人，2025；Lee等人，2024；Park等人，2025a；Park等人，2025b；Park等人，2026；Wu等人，2025c）。这种在成分上的创新灵活性，结合LAM技术，使该方法成为高性能镍基合金的变革性技术（Bandyopadhyay等人，2022；Tang等人，2021）。
然而，LAM制备的镍基MPEAs仍面临多变量工艺参数依赖性和环境敏感性的挑战（Kim等人，2023；Mostafaei等人，2023；Panwisawas等人，2020）。由于LAM工艺本身的高热输入，材料在快速凝固过程中会沿着陡峭的温度梯度发生相变，这会导致柱状晶粒生长，从而引发裂纹倾向、元素偏析和不良析出，严重影响材料的机械完整性（Mostafaei等人，2023；Panwisawas等人，2020）。
通过调整成分（如添加Al、Ta或Fe）、输入能量密度以及预热条件等策略，可以调控LAM处理后镍基合金的微观结构和性能（Brooke等人，2025；Zhou等人，2023）。这些措施有助于实现等轴晶粒的形成和细化，从而提高材料的可打印性和可成形性（Peng等人，2024；Roy等人，2025）。在凝固过程中，析出物和堆垛错处的位错积累成为动态再结晶（DRX）的启动点（Choi等人，2024；Ramesh等人，2025），这一过程表现为位错亚结构转变为子晶粒，并形成高角度晶界（HAGBs）。特别是对于MPEAs而言，成分调整显著影响堆垛错能（SFE）（Kim等人，2022；Lin等人，2024；Toor等人，2026），进而影响决定机械性能的再结晶动力学。然而，元素组成、堆垛错能和再结晶行为之间的复杂相互作用仍需进一步研究。
本文基于我们之前的材料设计数据，提出了一种结合相图计算和密度泛函理论（DFT）的策略，用于优化Al/Ti/V改性的镍基MPEAs的微观结构。该方法将LAM参数优化与成分调控相结合，实现了中等水平的堆垛错能，促进了近乎完全的动态再结晶，从而获得了兼具高强度和延展性的材料性能。与传统的DED制备的非等原子比NiCoCrFe合金及铸造合金相比，LAM制备的合金展现了独特的微观结构特征。这种位错、析出物和晶界的三维调控为镍基合金的先进制造提供了新的框架。
部分内容摘录
通过直接能量沉积实现原位合金化
DED系统配备了双粉末进料口，专门用于按10:1（重量百分比）的比例精确混合Ni35Cr16Fe16Co16Al7Ti5V5和NiCrFe合金粉末，如图1a所示。打印样品包括新设计的Ni34.7Cr17.5Fe17.5Co14.5Al6.3Ti4.5V4.5（按重量百分比）MPEA以及非等原子比的Ni41.2Cr20.8Fe20.8Co17.2（按重量百分比）基准合金。所选的具体成分被认为是最优的
Al/Ti/V改性镍基合金的微观结构
图2展示了通过ECCI和BSE/EDS分析的As-DED和铸态样品的微观结构特征。如图2a所示，As-DED样品中的析出物呈岛屿状，均匀分布在晶界和晶粒内部，形成了约5微米的蜂窝状结构（图2a1和a2）。BSE成像和EDS映射分析显示
非平衡条件下的相变和析出动力学
As-DED样品的独特微观结构表现为晶粒内部和晶界处出现不连续的蜂窝状BCC/B2析出物。这种结构与大多数DED处理后的FCC材料中常见的由位错缠结形成的蜂窝结构不同（An等人，2024；Li等人，2020；Liu等人，2023）。这种独特的析出现象可以通过凝固路径和元素分配机制来解释。
为了识别
结论
本研究探讨了一种采用原位合金化方法制备的新设计的Ni34.7Cr17.5Fe17.5Co14.5Al6.3Ti4.5V4.5（按重量百分比）MPEA。根据Ni-Cr-Fe-Co合金体系（添加Al、Ti、V）的相图和DFT计算结果，适中的堆垛错能促进了位错活动。均匀分布的BCC/B2析出物和有序的L12析出物同时强化了FCC基体，并促进了约92%的再结晶。通过拉伸变形观察到了
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吴仁豪：概念构思、方法论设计、数据整理、可视化处理、初稿撰写、审稿与编辑。朴孝真：实验研究、数据整理、方法论设计。李在亨：实验研究、方法论设计。李世宇：实验研究、数据整理、方法论设计。徐龙飞：实验研究、方法论设计。李铎元：实验研究、方法论设计。斯蒂芬·舍内克：资料来源、方法论设计。贾拉尔·康加齐安：数据整理、方法论设计、实验研究。李晓青：实验研究
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吴仁豪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、项目管理、实验研究、资金筹集、数据整理、概念构思。朴孝真：项目管理、方法论设计、实验研究。李在亨：方法论设计、实验研究。李世宇：方法论设计、实验研究。徐龙飞：方法论设计、实验研究。李铎元：方法论设计、实验研究。斯蒂芬·舍内克：软件开发、方法论设计、实验研究。贾拉尔·康加齐安：
