導讀
透過纖維鐳射器重熔了一種不含Co的鑄態AlCrFe2Ni2中熵合金（MEA），該合金具有多個相。研究了鐳射重熔對微觀結構、相分佈和力學效能的影響。鑄態合金中由FCC相、有序B2相和無序BCC相組成的長邊板狀微觀結構轉變為由有序B2相和無序BCC相交替組成的奈米級織紋狀微觀結構。對四種強化機制進行了定量評估，包括晶界強化、位錯強化、固溶強化和沉澱強化。計算結果表明，在鐳射重熔的MEA中，位錯和沉澱是主要的強化機制。
高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs）是由摩爾比相等或相近的幾種元素組成。HEAs/MEAs的特殊成分特徵導致其具有高強度和硬度，良好的熱穩定性，高抗腐蝕性，理想的高溫抗氧化效能和卓越的磁效能。電弧熔鍊是最常用的HEA/MEAs的製備方法，其可以在一定程度上提純鑄造物並提高結晶度。然而，電弧熔鍊過程中的低冷卻速率容易導致粗大晶粒的形成，對合金的效能和使用效能不利。
與電弧熔鍊工藝相比，鐳射重熔或基於鐳射的增材製造（AM）方法可以提供超快的冷卻速度，這有利於擴大固體溶解度的極限，細化晶粒，消除偏析，形成新的亞穩態的相，最終表現出優良的力學效能，是最佳化微觀結構和改善力學效能的一種有前途的技術。然而，目前還未證明鐳射加工對最佳化共晶HEA或MEA的微觀結構和改善其力學效能的有效性。
基於此，哈工大的朱景川教授課題組研究了鐳射重熔對微觀結構、相變和力學效能的影響。透過計算4種強化機制來評估主導的強化機制，以預測重熔的MEA的屈服應力。研究成果以題為“Refined microstructure and enhanced mechanical properties of AlCrFe2Ni2 medium entropy alloy produced via laser remelting” 發表於《Journal of Materials Science & Technology》。該研究中，鐳射被用來重熔無鈷共晶AlCrFe2Ni2中熵合金的多相。同時，鑑於鐳射重熔過程也可以提供一個類似於AM過程的熱環境，該工作也可以作為一個參考，以探索某些合金的AlCrFe2Ni2 MEAs作為鐳射AM原材料的可能性。
在鑄態試樣中觀察到由FCC和BCC相組成的多相結構，但是在重熔的試樣中只檢測到BCC相的圖案，說明在鐳射重熔後，FCC相的比例明顯減少。鐳射重熔熔合區的寬度和高度分別為430 μm和1018 μm，鑄態AlCrFe2Ni2合金基體的微觀結構由近乎等軸的晶粒組成，晶粒尺寸特別粗大。在鐳射重熔後，鑄態合金的粗大晶粒被極大地細化並轉化為柱狀晶粒。晶粒的外延生長是沿著垂直於熔池邊界的方向，同時也是最大溫度梯度的方向。
圖 1 (a)鑄態和重熔AlCrFe2Ni2合金的XRD圖譜 (b) (110)處重熔樣品峰的放大影象
圖2 (a) AlCrFe2Ni2合金重熔區和母合金的橫截面形貌圖 (b) 鑄態合金的晶粒尺寸分佈分析
圖 3 鐳射重熔樣品的 EBSD 影象 (a) 縱切面的 IPF Y 圖 (b) 橫斷面 IPF Y (c) 縱剖面相位分佈圖 (d) 橫截面相位分佈圖
在鑄態的MEA中存在長邊板狀的FCC、B2相和由B2和BCC相組成的隨機分佈的旋節分解結構。重熔後，其結構轉變為由有序的B2相和無序的BCC相組成的奈米級織紋狀微結構。鐳射重熔後，MEA的平均晶粒尺寸明顯減小，從約780 μm下降到58.89 μm（縱向）和15.87 μm（橫向），硬度從4.72±0.293 GPa增加到6.40±0.147 GPa（縱向）和7.55±0.360 GPa（橫向），表明鐳射熔的快速冷卻速率促進了細化晶粒的形成。
圖4 重熔 MEA的兩個橫截面的粒度分佈 (a) 縱向截面 (b) 橫截面
圖 5 (a) 鑄態MEA和 (b) 重熔 MEA 的SEM影象；(a) 和 (b) 的插圖是更高放大倍率的SEM影象
圖6 鑄態AlCrFe2Ni2合金的TEM顯微照片 (a) 代表性相的HAADF影象 (b) 用STEM繪製的元素分佈
圖7 重熔的AlCrFe2Ni2合金的TEM顯微照片
圖8 (a)從奈米壓痕試驗中得到的硬度 (b)原鑄和重熔的MEA的兩個截面的載荷-位移曲線
重熔後的MEA表現出優於原MEA的力學效能。重熔的MEA的硬度和屈服強度分別為~7.55 GPa和~1 647.2 MPa，屈服應力從661.9 MPa增加到1347.6 MPa（縱向）和1647.2 MPa（橫向），Wp/Wt值為~0.73。表明重熔後，硬度增加，屈服強度明顯提高，但沒有犧牲塑性。 計算出的屈服強度（1 840.66 MPa）與從奈米壓痕結果得到的屈服強度（1 647.2MPa）一致。強化機制分析表明，位錯剪下和顆粒剪下機制在強化中占主導地位，併為重熔MEA的屈服強度分別貢獻了約904.02 MPa和約700.29 MPa的強度增量。
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