多主元合金（MPEA）因其新颖的成分设计理念和优异的性能而在冶金研究领域受到重视。作为MPEA的一个重要子集，CoCrNi基中、高熵合金拥有单相面心立方结构，并表现出优异的机械性能。这激发了学者们通过改变微观结构进一步提升这类合金机械性能的想法。增材制造（AM）以其构建复杂几何形状产品的能力而广为人知。激光束粉床熔化（PBF-LB）作为金属AM方法之一，由于其固有的局部熔化和快速冷却的特点，可产生细化的晶粒和高位错密度。PBF-LB的制造过程可以通过调节加工参数和扫描策略来控制，从而得到不同的微观结构和机械性能。广泛的研究集中在通过消除包括孔隙和裂纹在内的缺陷，以及通过控制晶粒形态和织构在内的微观结构，来提高PBF-LB制造的金属组件的机械性能。但是目前对于CoCrNi中熵合金来说， PBF-LB加工参数与获得的微观结构及相应的机械性能之间的关系仍缺乏系统性的理解。
近日，新南威尔士大学团队详细研究了PBF-LB/CoCrNi的加工参数、微观结构和机械性能之间的关系。首先使用基于高斯过程回归模型的机器学习建立了合金的优化加工窗口。研究了各种微观结构特征（例如熔池形状、晶粒形态和晶体织构）的形成机制。对PBF-LB加工样品的机械测试表明，可以通过选择PBF-LB加工参数优化微观结构，同时提高CoCrNi的强度和延展性。同时讨论了熔池边界、异质结构和织构等结构对PBF-LB/CoCrNi力学性能的影响。此外，还进行了原位拉伸试验来研究局部变形机制和各向异性拉伸性能的原因。这项研究为通过控制PBF-LB工艺操纵凝固和微观结构来设计和制造强度和延展性同步提升的金属材料提供新的见解和潜在方法。相关论文以题为“Multi-scale microstructure manipulation of an additively manufactured CoCrNi medium entropy alloy for superior mechanical properties and tunable mechanical anisotropy”发表在增材制造顶级期刊 Additive Manufacturing。本文的通讯作者为李晓鹏副教授，博士生李晨泽为本文第一作者。
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https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104104
图1. (a) 等高线图显示了激光功率、扫描速度和打印样品相对密度之间的关系。灰色阴影区域是优化的工艺窗口（阈值是 99% 相对密度）。六组打印参数是根据优化的加工窗口设计的，用于详细的微观结构和机械性能研究，以橙色星标记。黑色虚线代表能量密度值，连续曲线代表相对密度值。 (b) 六组选定参数样品的实验相对密度测量值与GPR模型预测的相对密度值的比较。测量结果表明，选定样品的相对密度值在99%~99.6%之间。 (c) CoCrNi 粉末和 PBF-LB 制造的样品的 XRD 图案。黑色虚线突出显示 (200) 和 (220) 峰的强度差异。
图2. (a) 蚀刻样品的光学显微图像，显示 PBF-LB/CoCrNi 样品典型微观结构中的的扫描轨迹和熔池形态。 (b)和(c)分别是XY和YZ平面的IPF图。 (d) 在 XY 平面上看到的扫描轨迹和细胞结构的 SEM 图像：(d1) 等轴细胞结构和 (d2) 柱状细胞结构。 (e) XZ 平面上看到的熔池形态和细胞结构的 SEM 图像：(e1) 外延生长的柱状细胞结构和 (e2) 等轴细胞结构。
图3. 六组不同工艺参数制造的 PBF-LB/CoCrNi的熔池结构：(a) Flow3D 熔池模拟结果，(b) 实验熔池边界的细观结构。模拟结果与实验结果的 (c) 熔池半径和 (d) 熔池深度比较。 (a) 和 (b) 中的比例尺代表 100 µm。 (a) 中的颜色条表示熔融区域分数（0：未熔融区域；1：熔融区域）。
图4.六组参数的 XY 和 XZ 平面的 IPF 图和反极图比较，这些参数从左到右按能量密度递增的顺序排列，可以观察到织构由<100>//BD 向<110>//BD 的转变，织构转变由红色虚线圆圈标记。
图 5.样品组 E106 在 (a) 垂直和 (b,c) 水平方向的阶梯加载原位拉伸测试应力-应变曲线。立方体插图显示了变形前后的局部晶粒取向。
图6. 不同尺寸熔池晶粒取向形成机制示意图：(a)浅熔池； (b) 中等熔池； (c) 深熔池。通过将晶粒取向示意图与蚀刻样品顶层熔池横截面的光学显微图像重叠来解释织构转变：(d) P180； (e) E106； (f)E144。极图用来说明从 <100>//BD 到 <110>//BD 的织构转变。
图 7.六组选定样品垂直和水平构建的样品的极限拉伸强度和伸长率的汇总。与使用相同加工参数制造的垂直样品相比，水平样品具有更优异的强度和延展性，表明了打印样品各向异性的拉伸性能。橙色虚线标志着性能改善的三个阶段。圆形图示代表了每个阶段的强化机制。
图 8. 原位拉伸实验揭示了垂直样品的断裂机制： (a) 不同应变下垂直样品熔池边界处可见的不充分熔合缺陷形貌。 (b)不同应变下的弱熔池边界裂纹。 (c) 垂直样品熔池边界失效示意图； (d)和(e)是垂直样品断口凹坑区域的SEM图像。 （白色虚线标记的凹坑区域代表在弱熔池边界处发生的断裂）。
图 9. 通过原位拉伸实验观测揭示水平测试样品的变形机制。 (a) 不同应变下相同区域的微观结构变化。 (b) XY 平面的 IPF 和 KAM 图，用于比较竣工样品和变形样品之间粗晶和细晶区域的微观结构。位错密度是针对相应 KAM 图中标记的白线测量的。 (c) E106水平样品原位拉伸测试后表面SEM图像； (d) 水平样品细晶粒区域失效的示意图。
图 10. (a) 六组工艺参数制造的水平 CoCrNi 样品的泰勒因子图。 (b)和(c)分别是水平和垂直样品的泰勒因子分布。 (d) 垂直和水平样品的平均泰勒因子值的比较。
*感谢论文作者团队的大力支持。