摘要：本研究聚焦于通过定向能量沉积（DED）增材制造技术开发具有优异室温与低温力学性能的非等原子比Co-Cr-Ni多主元合金（MPEAs）。研究背景基于传统合金设计向多主元合金的范式转变，其中面心立方（FCC）结构的CoCrNi体系因其低层错能（SFE）和卓越的强度

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本研究聚焦于通过定向能量沉积（DED）增材制造技术开发具有优异室温与低温力学性能的非等原子比Co-Cr-Ni多主元合金（MPEAs）。研究背景基于传统合金设计向多主元合金的范式转变，其中面心立方（FCC）结构的CoCrNi体系因其低层错能（SFE）和卓越的强度-塑性协同效应备受关注。团队设计了两种具有梯度SFE的合金（高SFE的Co30Cr20Ni50和低SFE的Co25Cr45Ni30），通过DED工艺制备并系统研究了其微观结构演变、室温（298 K）与低温（77 K）拉伸性能及变形机制。研究首次揭示了非等原子比CoCrNi合金在增材制造条件下的变形机制温度依赖性，为低温结构材料设计提供了新思路。

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部分内容

图文讲解

图1：系统展示了从粉末混合到力学测试的全流程：(a-b)显示机械混合的等原子比CoCrNi粉末形貌及元素分布均匀性；(c-d)呈现通过参数优化获得的致密打印块体；(e-f)为微型狗骨试样加工方案。图中特别强调了打印方向（BD）与试样取向的关系，为后续力学性能的各向异性分析奠定基础。

图2：系统展示了DED制备的等原子比CoCrNi合金的微观结构特征：(a) XRD图谱确认单一FCC相结构，晶格参数0.356 nm与文献一致；(b) EBSD三维重构显示沿打印方向（BD）的柱状晶组织，平均晶粒尺寸141±11μm，存在明显的织构；(c-d)光学显微照片揭示熔池边界（虚线标注）和1-3μm位错胞状亚结构，这种高密度位错网络是AM快速凝固的典型特征；(e-g) EPMA元素分布图显示晶粒内部存在Cr偏聚（黄色区域）和Co贫化（蓝色区域），这种微区成分波动对后续变形机制有重要影响。

图3：通过等原子比合金验证DED工艺参数可靠性：(a)显示典型拉伸曲线（YS=417 MPa，UTS=707 MPa，延伸率63%）；(b-c)的EBSD分析证实变形孪晶（Σ3晶界）和高位错密度（KAM图绿色像素）的存在；(d)与文献数据对比表明该工艺下合金性能优于传统铸造和部分增材制造样品，凸显AM引入的位错亚结构对强化的贡献。

图5：通过对比两种非等原子比合金的微观结构：(a-b) EBSD三维重构显示HSFE（136±9μm）和LSFE（142±15μm）具有相似的晶粒尺寸分布，均呈现AM典型的非等轴晶特征；(c-f)光学显微镜观察发现两种合金均存在清晰的熔池边界（黑色虚线）和位错胞结构，但LSFE合金的胞尺寸（1.5-4μm）略大于HSFE（1-3μm），这与LSFE更低层错能抑制位错交滑移有关。值得注意的是，LSFE合金中Cr在胞界偏聚更显著（参见图7），这种微区成分差异直接影响后续变形过程中位错运动阻力。

图8：XRD织构分析揭示：(a) HSFE和(b) LSFE合金的(111)极图显示弱织构特征（最大极密度~2.45），表明DED工艺参数成功避免了强择优取向的形成。两合金在BD和TD方向的强度分布相似，说明成分变化对凝固织构演变影响有限。这种近乎随机的晶粒取向分布确保了力学性能测试结果的代表性，排除了织构各向异性对数据解读的干扰。

图9：核心力学性能结果显示：(a)室温下LSFE合金凭借更高Cr含量（46 at.%）和更低SFE（~10 mJ/m²），其屈服强度（415 MPa）比HSFE（296 MPa）提高40%，同时保持15%更高延伸率；(b)加工硬化率曲线揭示77K时两种合金均出现显著平台期，LSFE合金因激活孪晶（TWIP）和ε-马氏体相变（TRIP）机制，其真应力-应变曲线斜率更高，最终实现1 GPa级抗拉强度与45%延伸率的罕见组合。

图12：室温变形后的EBSD分析：(a-b) HSFE合金的IQ+IPF图显示连续颜色梯度，沿白色箭头的取向差曲线呈现平缓变化（

图13：透射电镜深入解析变形机制：(a) HSFE合金的明场像显示位错胞结构（虚线标注），选区衍射（插图）仅出现FCC基体斑点，确认其单一滑移主导的变形模式；(b-d) LSFE合金中观察到两组取向的平面缺陷（白色虚线），通过暗场像和晶带轴衍射证实为纳米孪晶（橙色衍射斑），孪晶厚度约27±10 nm；(e-f)高位错密度墙（HDDWs）的形成表明LSFE合金中位错-位错交互作用更强烈，这种亚结构进一步阻碍位错运动，贡献额外的加工硬化。

图16：总结四组实验条件下载荷传递路径：(a) 室温HSFE合金通过位错滑移和胞结构强化变形；(b) 室温LSFE合金额外激活孪晶（红色层片）分割初始晶粒；(c) 77K时HSFE合金出现ε-马氏体（蓝色区域）与孪晶协同变形；(d) LSFE合金在低温下形成更密集的孪晶-马氏体网络，其中HCP相（蓝色）优先在孪晶界形核。这种可视化模型清晰解释了LSFE合金在77K下超高强度（1.05 GPa）的微观起源。

图17：断裂表面分析揭示：(a-b) 室温下两种合金均呈现韧窝特征，但LSFE合金的韧窝尺寸更小（~5μm vs HSFE的~8μm），对应其更高断裂应变；(c-d) 77K时HSFE保持均匀韧窝形貌，而LSFE出现局部解理台阶（图18未展示），与未熔Cr颗粒引发的早期裂纹扩展有关。值得注意的是，尽管LSFE低温延伸率降至45%，所有样品仍保持韧性断裂机制，表明ε-马氏体相变未导致脆性断裂。

全文总结

1.成分设计优势：通过调整Co/Cr/Ni比例成功调控SFE（HSFE~50 mJ/m² vs LSFE~10 mJ/m²），LSFE合金凭借高Cr含量（46 at.%）和低SFE，室温屈服强度（415 MPa）比HSFE提高40%，同时延伸率提升15%。

2.变形机制转变：室温下HSFE合金以位错滑移为主，而LSFE合金额外激活孪晶（TWIP）；77K时两者均出现ε-马氏体相变（TRIP），形成"孪晶-马氏体纳米复合结构"，使LSFE合金实现1.05 GPa抗拉强度与45%延伸率。

3.增材制造特性：DED工艺引入的高位错密度（~10¹⁴ m⁻²）和熔池亚结构使AM合金强度普遍高于铸造态，其中LSFE合金77K强度比铸造同类材料提高60%。

4.断裂行为差异：LSFE合金在77K时因未熔Cr颗粒（1.4%面积分数）成为裂纹源导致延伸率低于HSFE（45% vs 74%），但通过优化激光能量密度可改善。

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本文给我们提供的研究思路

1) 成分设计：通过CALPHAD计算与SFE调控可精准优化MPEAs性能，高Cr含量（>40 at.%）配合适度Ni减少是获得低SFE的有效路径；

2) 工艺创新：DED的高冷却速率（~10⁶ K/s）能稳定过饱和固溶体，但需平衡能量密度以防止未熔颗粒；

3) 机制研究：多尺度表征（EBSD+HR-TEM）揭示的"孪晶-马氏体界面强化"机制可推广至其他FCC合金体系，为设计新型应变硬化材料提供模板。

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本研究通过DED工艺实现非等原子比CoCrNi合金的梯度SFE设计，突破性发现包括：(1) 阐明了Cr含量通过调控SFE影响变形机制转变的定量关系；(2) 在LSFE合金中实现TWIP与TRIP机制在纳米尺度的协同作用，创下AM制备MPEAs在77K下的强度-塑性综合性能纪录；(3) 揭示了AM特有未熔Cr颗粒对低温塑性的限制机制，为工艺优化提供明确方向。

文章信息

原文标题：Additively manufactured Co–Cr–Ni multi-principal element alloys with excellent strength and ductility at room and cryogenic temperatures

翻译标题：在室温和低温下具有优异强度和延展性的增材制造钴-铬-镍多主元合金

第一通讯作者单位：印度科学院 材料工程学系

期刊：《Virtual and Physical Prototyping》

DOI：10.1080/17452759.2025.2551867

长三角G60激光联盟陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2026年4月15-17日在苏州举办的第八届涡轮技术大会暨民用航空发动机和燃气轮机展以及激光在民用航空发动机和燃气轮机中的应用大会（4月16日）

来自：metals letters

来源：江苏激光联盟