亚稳态的TRIP（transformation-induced plasticity）高熵合金通过在变形时发生相变，阻碍变形时的位错运动，提高了合金的强度和加工硬化能力，进而实现高熵合金强度-塑性的同时提升。尽管TRIP高熵合金展现出优异的力学性能，但是铸造工艺成形的TRIP高熵合金缺陷较多，往往需要进行复杂的后处理（例如，均匀化退火+冷轧+退火）。激光粉末床熔化（LPBF）技术是一种增材制造技术，可以用于制造具有复杂几何形状的金属部件，并通过快速激光扫描形成的高熔池冷却速率，可有效地抑制元素的偏析并细化晶粒。目前，研究人员对TRIP高熵合金的研究主要集中于复杂后处理和LPBF制备的TRIP高熵合金的显微组织和力学性能，缺乏对铸造和LPBF制备的TRIP高熵合金显微组织和力学性能差异的机理展开深入地研究。
近期，华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室蔡超副教授、史玉升教授团队联合新加坡南洋理工大学周琨教授研究了LPBF制备的TRIP高熵合金Fe34Co34Cr20Mn6Ni6的显微组织和力学性能，并与铸造高熵合金进行了对比。LPBF制备Fe34Co34Cr20Mn6Ni6高熵合金为单相面心立方（FCC）结构，相反铸造高熵合金的FCC基体内存在大量密排六方（HCP）结构（42.1%）（图1）。LPBF制备的高熵合金的屈服强度、抗拉强度和塑性分别为305 MPa、808 MPa和18.9%，远高于铸造高熵合金（171 MPa、463 MPa和7.3%）（图2）。
图1. 样品侧面的EBSD图像。（a，b）LPBF制备高熵合金的反极图和相图，（c，d）铸造高熵合金的反极图和相图
图2. LPBF和铸造制备的高熵合金的力学性能和断裂特征。(a) 真应力-应变曲线，(b) 来自(a)中相应曲线的加工硬化曲线，(c) 拉伸实验后的断裂样品，(d-f) LPBF制备高熵合金的断口形貌，(g-i) 铸造高熵合金的断口形貌
通过相图计算、加载-卸载-加载实验、EBSD和TEM等表征方法，作者们阐明了铸造和LPBF制备的高熵合金组织和力学性能差异的原因。LPBF制备的高熵合金在变形过程中通过应力诱导相变在FCC相内部原位生成大量的细小HCP相，形成丰富的FCC/HCP界面（图3）。FCC相为软相，HCP相为硬相，塑性变形过程中，FCC/HCP界面处生成高密度几何必需位错缓解局部应力集中，产生了强大的背应力强化并促进了材料变形的均匀性，LPBF制造的高熵合金在断裂时的背应力达到665 MPa（图4）。铸造制备的高熵合金预先存在粗大而且平直的FCC/HCP界面，阻碍了有效的背应力硬化。此外，在变形过程中，铸造高熵合金中预先存在的HCP相和应力诱导形成的新HCP相之间发生相互作用，导致应力集中和裂纹的萌生，从而降低了铸造高熵合金的强度和延展性。本研究对LPBF与铸造制备的亚稳态高熵合金的显微组织和力学性能进行了全面比较，为高性能TRIP高熵合金的增材制造提供了宝贵的见解。
图3. 拉伸断裂样品侧面的EBSD图像。（a‒c）LPBF制备的高熵合金的反极图、相图和KAM图和（d‒f）铸造制备的高熵合金的反极图、相图和KAM图
图4. LPBF和铸造制备的高熵合金的背应力。（a）加载-卸载-加载曲线和（b）背应力和有效应力随真应变的变化曲线
上述工作以题为“Strength-ductility synergy of an additively manufactured metastable high-entropy alloy achieved by transformation-induced plasticity strengthening”发表在International Journal of Plasticity上（doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103823），论文共同通讯作者为华中科技大学蔡超副教授和华中科技大学张李超副教授。
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