南加大《Adv Mater》：揭示3D打印共晶高熵合金的組織選擇機制！

高熵合金（HEAs）作為一種新興金屬材料，由多種近摩爾比的元素組成，其較高的熵值理論上可抑制金屬間化合物，促進單相固溶體的形成。但實際上，熵增效應往往難以抵消焓變或結構失配帶來的影響，導致多數高熵合金在平衡或近平衡條件下傾向于形成多相結構，包括脆性金屬間化合物。因此，除了改變高熵合金的組分，加工方式對其組織和性能也有極大的影響。增材制造（AM）技術通過高能激光掃描，具有極高的冷卻速率和熱梯度，能實現非平衡凝固。與此同時，熱循環效應還可能引發固態相變。這種獨特的加工特性為調控材料微觀結構和性能提供了新途徑，已在鋼、鋁合金、鎳基高溫合金等多種材料中展現出優于傳統方法的力學性能。將增材制造應用于高熵合金時，激光加工的極端非平衡條件則可能形成傳統工藝無法獲得的新相和微觀結構。此外，增材制造加工工藝本身具有較大的調控范圍，會極大地影響金屬材料的凝固組織和力學性能。目前，針對高熵合金在增材制造過程中的非平衡凝固行為仍缺乏深入理解，特別是在熱力學驅動力與動力學約束的交互作用下，凝固路徑與組織演化規律尚不明確，因此亟需系統地研究其工藝-結構-性能之間的關系。

近日，南加州大學和紐約州立大學布法羅分校聯合眾多知名機構，以AlCrFe2Ni2高熵合金為研究對象，通過激光增材制造技術，在30–900 mm·min-1范圍內系統調整激光掃描速度以調控凝固速率，揭示了凝固速率對微觀組織演變及相變路徑的調控機制。隨著激光掃描速度提高、凝固速率增大，合金的凝固模式由耦合共晶逐漸轉變為異常共晶，并最終趨于單相凝固，從而獲得一系列結構迥異的微觀組織和多樣的力學性能。我們首次在該合金中報道了上述共晶結構，凸顯增材制造在調控非平衡組織方面的獨特能力。結合熱力學計算與分子動力學模擬發現，較低冷卻速率下原子擴散充分，利于發生相分離和耦合共晶生長；而高速冷卻則抑制元素擴散，破壞固液界面穩定性，促使異常共晶甚至單相凝固發生。這項融合實驗、模擬和凝固理論的研究，不僅深化了對高熵合金非平衡凝固機制的理解，也突顯了非平衡態下動力學遠超熱力學的主導地位。此外，這種研究框架還可以應用到其他復雜合金中用以揭示凝固組織的演變機制。結果表明，增材制造可通過參數調控，為實現高熵合金微觀結構與性能的定制化設計提供新途徑。

該成果以“Unravelling Microstructure Selection in an Additively Manufactured Eutectic High-Entropy Alloy”為題發表在《Advanced Materials》，馬薩諸塞州大學阿默斯特分校Shengbiao Zhang 博士生和紐約州立大學布法羅分校Chenyang Li博士生為共同第一作者，南加州大學Wen Chen教授和紐約州立大學布法羅分校Wei Chen教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202508659

圖1. 不同激光掃描速度下AlCrFe2Ni2 高熵合金的組織演變。

圖2. 不同激光掃描速度下熔池內部組織的背散射電子衍射（EBSD）圖像。

圖3.不同激光掃描速度下拉伸性能的演變。

圖4. 增材制造過程中基于有限元（FEM）的熔池熱歷史數值分析。

圖5. 共晶耦合生長向異常共晶生長的轉變。

圖6.異常共晶相之間晶體取向的EBSD分析。

圖7. 基于分子動力學模擬和中子衍射實驗的對分布函數（PDF）。

圖8. 分子動力學預測不同冷速下的組織演變。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持