模拟辅助设计面向增材制造的高熵合金！

摘要：增材制造的技术瓶颈：激光粉末床熔融（LPBF）虽能制造复杂结构，但其非平衡热历程易引发裂纹、孔隙等缺陷，限制高性能合金的应用。高熵合金的潜力：多主元高熵合金（HEAs）因晶格畸变、鸡尾酒效应和短程有序特性，展现出优异的强度、耐腐蚀性和热稳定性，但现有可打印HE

主要作者：Asker Jarlöv¹ ²，Zhiheng Hu²，Mui Ling Sharon Nai² *, Kun Zhou¹ *

第一单位：¹南洋理工大学，²新加坡制造技术研究院

发表期刊：International Journal of Machine Tools and Manufacture

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110151

通讯作者：mlnai@simtech.a-star.edu.sg (M. L. S. Nai)； kzhou@ntu.edu.sg (K. Zhou)

1. 增材制造与高熵合金的挑战

增材制造的技术瓶颈：激光粉末床熔融（LPBF）虽能制造复杂结构，但其非平衡热历程易引发裂纹、孔隙等缺陷，限制高性能合金的应用。高熵合金的潜力：多主元高熵合金（HEAs）因晶格畸变、鸡尾酒效应和短程有序特性，展现出优异的强度、耐腐蚀性和热稳定性，但现有可打印HEAs种类有限。Fe-Co-Ni-Cu体系的特殊性：该体系合金具有双FCC相（富Cu相与贫Cu相）倾向，Cu的添加虽可提升性能，但高Cu含量易导致凝固裂纹，制约其在LPBF中的应用。

Fig.1 Simulation cells, experimental setup, and feedstock morphology

2. 研究目标与创新性

核心问题：如何平衡Ni50-xFe25Co25Cux合金的打印性（低裂纹敏感性）与力学性能（高强韧性）。创新策略：结合分子动力学（MD）、CALPHAD热力学模拟与高通量实验，揭示Cu含量对凝固行为、短程有序及强化机制的影响，指导成分优化。

Fig.2 Computational design of Ni50–xFe25Co25Cux HEAs

1. 计算模拟方法

分子动力学（MD）模拟：堆垛层错能分析：计算本征层错能（γISF）、非稳定层错能（γUI）及孪晶层错能（γTSF），预测变形机制（TWIP/TRIP）。短程有序评估：通过蒙特卡洛-分子动力学（MC/MD）混合模拟，量化Cu-Cu原子对Warren-Cowley参数（αCu-Cu），揭示元素偏聚倾向。热力学与凝固模拟：CALPHAD相图计算：预测不同Cu含量下的相稳定性及析出行为。Scheil-Gulliver模型：分析凝固温度区间（ΔTcrit）与裂纹敏感性的关系。

Fig.3 Cohesive energy of the A3B L12 structure. All values are in eV

2. 高通量实验设计

原位混合粉末LPBF：采用Fe、Co、Ni、Cu单质粉末，沿构建方向梯度改变Ni/Cu比例（每5 mm增加5 at% Ni），实现成分连续筛选。工艺参数优化：通过激光功率（100–175 W）、扫描速度（500–1500 mm/s）与搭接间距（0.05–0.09 mm）的矩阵实验，确定无裂纹高致密化参数。

Fig.4 Process optimization of Ni50–xFe25Co25Cux

3. 表征与测试

微观结构分析：SEM、EBSD、TEM观察晶粒形貌、氧化物分布及原子尺度有序性；XRD确定相组成。力学性能测试：显微硬度（HV0.3）、室温拉伸（屈服强度、抗拉强度、延伸率）及应变硬化行为分析。

Fig.5 Reconstructed three-dimensional EBSD IPF maps and pole figures

研究结果

1. 成分对打印性的影响

凝固行为调控：Cu含量从20 at%降至5 at%时，ΔTcrit从120 K缩小至50 K，凝固裂纹密度显著降低（Ni45Fe25Co25Cu5几乎无裂纹）。相稳定性验证：CALPHAD预测高Cu合金易形成富Cu FCC相，但LPBF快速冷却抑制析出，所有成分均保持单相FCC结构。

Fig.6 Microstructure and morphology of the as-printed HEAs

2. 短程有序与强化机制

原子尺度偏聚：MD模拟显示Cu原子在晶界处富集，形成Fe-Cu共偏聚团簇（αCu-Cu 堆垛层错能变化：Cu含量增加导致γISF降低（从45 mJ/m²降至30 mJ/m²），但短程有序通过提高晶界能抵消软化效应，增强摩擦强化（σ0提升12%）。

Fig.7 Tensile deformation of Ni50–xFe25Co25Cux HEAs

3. 力学性能提升

强度-塑性协同：Ni45Fe25Co25Cu5的屈服强度达570.95 MPa，较无Cu合金（Ni50Fe25Co25）提升4.4%，延伸率保持22.8%。各向异性抑制：激光冲击辅助工艺使晶粒尺寸细化至483.37 μm（较传统WAAM降低34.5%），晶界以高角度晶界（HAGBs）为主，减少//BD织构。