海南
AM易道科研分享
AM易道注意到，江蘇大學機械工程學院的研究團隊最近在《International Journal of Extreme Manufacturing》上發(fā)表了一項讓人眼前一亮的研究。
他們用一種巧妙的后處理組合—深冷處理（DCT）加激光沖擊強化（LSP），成功讓3D打印的Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金實現(xiàn)了強韌兼?zhèn)洹?/strong>
這個成果為什么值得關注？
因為它直擊了金屬3D打印領域的一個核心痛點：
打印出來的零件要么強度高但脆，要么韌性好但軟。
這次，研究團隊打印的高熵合金最終達到了880.6 MPa的抗拉強度，同時保持了38.3%的延伸率，這在以往幾乎難以實現(xiàn)。
AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術表述，有大量原創(chuàng)主觀的解讀創(chuàng)作成分，如需要了解更多原始硬核技術內(nèi)容，請自行閱讀原文。
高熵合金遇上3D打印，機遇與挑戰(zhàn)并存
先說說為什么選擇高熵合金。這種由多種主元素組成的新型材料本身就具備獨特的相變誘導塑性（TRIP）效應，理論上可以實現(xiàn)強韌平衡。
但用激光粉末床熔融（LPBF）技術打印時，快速的加熱冷卻循環(huán)會在材料表面產(chǎn)生巨大的拉應力，嚴重影響其力學性能。
從Figure 2的金相組織可以看到，打印態(tài)樣品呈現(xiàn)典型的魚鱗狀熔池形貌，熔池內(nèi)部既有等軸胞狀晶，也有柱狀晶，這種不均勻的微觀組織正是快速凝固的產(chǎn)物。
EDS元素分析顯示各元素分布均勻，沒有明顯偏析，說明LPBF工藝本身的成形質(zhì)量不錯。
傳統(tǒng)的退火處理雖然能緩解殘余應力，但代價是犧牲強度。
解決了一個問題卻帶來了另一個問題。
江蘇大學團隊的創(chuàng)新之處在于，他們沒有走老路，而是采用了一個反向思維：
先用深冷處理在整體上調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)和應力分布，再用激光沖擊在表面制造梯度納米結(jié)構(gòu)。
深冷處理：-196°C下的材料重塑
研究團隊將打印好的樣品在液氮中浸泡48小時，溫度低至-196°C。
這個過程聽起來簡單，實際上卻引發(fā)了材料內(nèi)部的連鎖反應。
Figure 3的EBSD分析清楚地展示了深冷處理前后的變化。
打印態(tài)樣品中HCP相占18.1%，呈板條狀不均勻分布在FCC基體中。
經(jīng)過深冷處理后，TEM觀察（Figure 3f）顯示HCP片層成束出現(xiàn)，同時位錯密度明顯降低，還出現(xiàn)了一些層錯。
這種微觀結(jié)構(gòu)的演變正是深冷處理獨特效應的體現(xiàn)。
在極低溫下，F(xiàn)CC相和HCP相之間的體積收縮不匹配產(chǎn)生了微塑性變形。
當樣品重新回溫到室溫時，這種變形被保留下來。
更重要的是，深冷處理促進了馬氏體相變，為后續(xù)的激光沖擊打下了良好基礎。
激光沖擊：制造梯度異構(gòu)的關鍵一步
在深冷處理的基礎上，研究團隊使用8J能量的脈沖激光對樣品進行沖擊處理。
Figure 5的EBSD圖像展示了激光沖擊后形成的梯度結(jié)構(gòu)。
最表層的晶粒被細化到納米級別，HCP相含量從深冷處理后的水平進一步提升到59.2%。
這種從表到里的梯度變化不是偶然的，而是激光沖擊波在材料內(nèi)部傳播衰減的必然結(jié)果。
Figure 6提供了更詳細的微觀結(jié)構(gòu)演變圖譜。
從表面到500微米深度，研究團隊將其劃分為四個區(qū)域：
最表層（約5微米）完全轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄叽?1.35納米的等軸納米晶；
嚴重塑性變形區(qū)（5-50微米）形成了層片狀的納米結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CC和HCP相呈束狀分布；
中等變形區(qū)（50-200微米）出現(xiàn)大量不規(guī)則的HCP馬氏體塊，平均間距約290.9納米；
接近芯部區(qū)域（500微米）則以平行的HCP片層為主，伴隨有平面滑移和位錯胞。
我們來解釋的話，這種梯度結(jié)構(gòu)就像給材料穿上了一件多層防護服，每一層都有其獨特的強化機制。
殘余應力轉(zhuǎn)化
Figure 8展示了一個關鍵的轉(zhuǎn)變：表面殘余應力從拉應力完全轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Α?/strong>
單獨的深冷處理能產(chǎn)生-164 MPa的壓應力，單獨的激光沖擊能達到-238.7 MPa，而兩者結(jié)合后，壓應力峰值達到了-289 MPa。
同時，表面硬度從256.7 HV提升到380.8 HV，提升幅度接近50%。
AM易道認為，這個應力轉(zhuǎn)變的意義不僅在于數(shù)值的改善。
表面壓應力就像給材料穿上了一層無形的鎧甲，能有效抑制裂紋的萌生和擴展，這對于提高疲勞壽命至關重要。
強韌兼?zhèn)涞拿孛埽憾鄼C制協(xié)同作用
Figure 9的拉伸曲線直觀展示了性能的提升。
與打印態(tài)相比，DCT+LSP處理后的樣品屈服強度提高了33.9%，抗拉強度達到880.6 MPa，同時延伸率保持在38.3%。
這種強韌兼?zhèn)湓谕惒牧现刑幱陬I先水平。
通過對拉伸后樣品的微觀分析（Figure 11和Figure 14），研究團隊發(fā)現(xiàn)了這種材料實現(xiàn)強韌平衡的秘密。
在不同深度，材料展現(xiàn)出不同的變形機制：
拉伸測試后的微觀分析揭示了材料的變形奧秘。
表層納米晶在承受拉力后依然堅挺，更有意思的是，原本被認為硬脆的HCP馬氏體相內(nèi)部出現(xiàn)了大量變形孿晶（Figure 11a），這意味著它不再是單純的硬化相，而是真正參與到了塑性變形中。
往材料內(nèi)部看（100-400微米深度，F(xiàn)igure 11b-d），拉伸過程觸發(fā)了劇烈的相變。新生成的HCP片層與原有的交織成網(wǎng)，形成了獨特的四邊形格子。
更妙的是，研究團隊還捕捉到了逆相變—部分HCP又變回了FCC。
簡單來說，如果我們理解準確的話，這種雙向相變源源不斷地提供加工硬化能力，讓材料在變形過程中越來越強。
Figure 13的EBSD相分析更是給出了優(yōu)異數(shù)據(jù)：
拉伸后，DCT+LSP樣品的HCP相含量從59.2%增加到88.6%，而打印態(tài)樣品只從18.1%增加到68.7%。
這種差異直接反映了梯度異構(gòu)結(jié)構(gòu)對相變的促進作用。
這項研究給我們帶來了幾個啟發(fā)。
顯然，這篇文章顯示出后處理工藝的組合使用比單一處理更有效。
深冷處理成本低廉，操作簡單，而激光沖擊技術也已經(jīng)相當成熟，兩者結(jié)合能夠顯著提升打印件性能，具有較強的產(chǎn)業(yè)化潛力。
其次，梯度異構(gòu)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)強韌平衡的有效途徑。
Figure 10的示意圖清晰展示了從納米晶到層片結(jié)構(gòu)再到粗晶的梯度演變，這種結(jié)構(gòu)讓不同區(qū)域發(fā)揮不同作用，實現(xiàn)1+1>2的效果。
對于高熵合金這類新材料，我們期待看到，3D打印不應該只停留在成形階段。
通過合理的后處理，可以充分發(fā)揮材料的相變潛力，獲得傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的性能。
AM易道認為，這項研究最大的價值在于提供了一種可推廣的思路。
不只是Fe50Mn30Co10Cr10這一種高熵合金，其他具有相變特性的合金體系都可能通過類似的處理策略獲得性能提升。
對于航空航天、模具制造等對材料性能要求苛刻的領域，這種后處理組合拳可能會成為標準工藝流程的一部分。
當然，還需要解決一些實際問題，比如大尺寸零件的深冷處理均勻性、復雜形狀零件的激光沖擊路徑規(guī)劃等。
但這項研究至少證明了一點：
3D打印金屬零件的性能天花板還遠未到達，通過巧妙的后處理設計，我們還有很大的提升空間。
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