哈工大 l L-PBF增材制造掺钼的FeCrCoNiMoₓ高熵合金，极端环境中的力学性能“强者”！

| 3DScienceValley · 2024/10/31

谷专栏根据的市场洞察，添加钼可以显著影响FeCrCoNiMoₓ高熵合金的显微组织、硬度、耐蚀性能以及力学性能，具体表现为增加合金硬度、提高耐腐蚀性和改善力学性能。这些变化使得FeCrCoNiMoₓ高熵合金在极端环境下的应用更为广泛和可靠。

本期，借助材料设计的分享，本期与谷友共同领略掺钼的FeCoCrNi高熵合金（HEA）如何成为在这种极端环境中使用的候选材料。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104142

洞察
Mo的添加对高熵合金的影响

1. 显微组织与力学性能变化：随着Mo含量的增加，FeCrCoNiMox高熵合金的显微组织由单相FCC中心立方固溶体组织可能逐渐转变为FCC+σ相和FCC+σ+μ相，这种组织的变化影响了合金的硬度，提升了屈服强度、抗拉强度和伸长率等力学性能。

2. 腐蚀行为：Mo含量对FeCoCrNiMox高熵合金的组织和腐蚀行为有显著影响。在FeCoCrNiMo0.3合金中形成沉淀，在FeCoCrNiMo0.6合金中增加。Cr2O3/Cr(OH)3的高比率和Mo氧化物的掺入使钝化膜更具保护性，从而提高了FeCoCrNiMo0.1合金的耐腐蚀性

3. 析氢反应性能：钼含量和热处理对FeCoCrNiMox高熵合金析氢反应性能和显微组织有影响。随着Mo含量的增加，显微组织由FCC相转变为FCC+σ相，最后可能转变为FCC+σ+μ相。FeCoCrNiMo HEA具有优异的催化性能，可以通过固溶和时效处理进一步改进。

4. 耐蚀性能：Mo含量对CoCrFeNiMo高熵合金组织及耐蚀性能有影响。随着Mo元素含量增加，合金腐蚀电位逐渐提高，极化电流不断减小，钝化区明显增大，表明Mo的增加提高了合金的耐蚀性能。”

强度-延展性协同效应的根源

结构金属在极端环境中的应用需要具有优异力学性能的材料。掺钼的FeCoCrNi高熵合金（HEA）已成为在这种极端环境中使用的候选材料。

来自哈尔滨工业大以及韩国、瑞典等研究机构的合作研究表明通过对激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造不同钼含量（x=0、0.1、0.3和0.5）的FeCrCoNiMoₓ高熵合金的高温性能进行研究。在室温和600°C下对力学性能进行评估，并使用扫描电子显微镜、电子背散射衍射、能量色散X射线光谱和透射电子显微镜对微观结构进行了表征。

结果表明内在位错、固溶强化、纳米沉淀和孪晶效应共同调节了样品的塑性变形行为。结合第一性原理计算和分子动力学模拟对高温力学性能进行了全面分析，以揭示实验中观察到的FeCoCrNiMo₀.₃强度-延展性协同效应的根源。

本项工作对FeCrCoNiMoₓ高熵合金具有重要意义，并拓展了我们对增材制造高熵合金优异力学性能的结构起源的理解。

相关成果以“Multiscale plastic deformation in additively manufactured FeCoCrNiMox high-entropy alloys to achieve strength–ductility synergy at elevated temperatures”为题刊登在International Journal of Plasticity上。

【创新点】

通过L-PBF制备无缺陷的FeNiCrCoMoₓ高熵合金。
掺钼HEA呈现出多尺度强化机制。
钼在25°C时降低堆垛层错能，促进孪晶形成。
在600°C时，孪晶仅在FeNiCrCoMo₀.₃和FeNiCrCoMo₀.₅中存在。
添加7-11at%（原子百分比）的钼有助于在600°C时实现强度-延展性协同。

【数据概况】

图1. L-PBF增材制造程序和制备的拉伸测试样品。

图2. L-PBF增材制造FeCrCoNiMoₓ HEA的拉伸性能。（x=0、0.1、0.3和0.5）

图3. FeCrCoNiMoₓ样品的典型微观结构。

图4. FeCrCoNiMoₓ样品在室温（25℃）拉伸试验下颈缩后变形阶段的变形微观结构演变。明场和暗场TEM图像揭示了FeCoCrNiMoₓ HEA 的不同孪晶效应：（a）Mo0、（b）Mo1、（c）Mo3和（d）Mo5。

图5. FeCrCoNiMoₓ样品在600℃拉伸变形后，颈缩断裂状态下的变形微观结构演变：（a）Mo0、（b）Mo1、（c）Mo3和（d）Mo5。

图6. （a）Mo3和（b）Mo5样品在25°C下拉伸变形后的颈缩断裂形态。

【结论展望】

本项研究系统地研究了通过激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造的、不同钼含量的FeCrCoNiMoₓ HEA在室温和高温（分别为25℃和600℃）下的力学性能。并进行了包括扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和定量模拟在内的多尺度分析，以评估微观结构演变和拉伸变形，并阐明其潜在机制。相关结论如下：

1. L – PBF工艺处理的FeCrCoNiMoₓ试样基体近无缺陷，有明显位错胞图案。添加钼（2.44、6.98和11.11at%）后，σ相沉淀增加，位错胞壁更清晰。

2. 结合计算、模拟和TEM观察，FeNiCrCoMoₓ高熵合金SFE随钼增而降、高温升高。室温下所有样品易孪晶，600°C时仅含特定钼量（可能x=0.3）样品有孪晶。

3. 向FeCoCrNi基体加钼促进固溶和沉淀强化。利用L-PBF特性引入适量钼（7-11at%）实现微观结构精确控制，调控多种强化机制。FeCrCoNiMoₓ（x=0.3-0.5）室温成型性改善、高温强度-延展性协同增强，YS、UTS和均匀伸长率分别达580MPa、800MPa和20%。

本研究展示了FCC结构FeCrCoNiMoₓ高熵合金加工、微观结构和力学性能关系。多尺度研究促进对掺钼高熵合金变形机制理解，基于关键微观结构特征，验证L-PBF调控强化机制可行性。传统方法无法捕捉高温微观结构和孪晶过程，通过计算和模拟揭示，结合实验与模拟全面分析塑性变形机制，本项工作为新材料开发提供了见解，并证明其在科学和工程领域的价值。

来源
材料设计 l

IJP重磅成果！L-PBF增材制造FeCrCoNiMoₓ高熵合金，极端环境中的力学性能“强者”！

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