激光选区熔化制备高熵合金中非平衡亚结构及疲劳失效机制研究

With the development of additive manufacturing, selective laser melting (SLM) shows promising potential on fabricating high entropy alloys (HEAs). The investigation of the fatigue property of SLMed HEAs could expand its further engineering applications. Non-equilibrium substructure formed during the process of fabricating several HEAs except the grain refinement, and the non- equilibrium substructure will affect the fatigue property of the HEAs. In the present research, the distribution of substructure in SLMed HEA will be analyzed, the formation mechanism of substructure will be revealed based on the non-equilibrium solidification and inherent characterization of HEA. Based on the fatigue crack initiation and propagation behaviors, the influence of defects and microstructure especially the substructure on the fatigue damage mechanism will be investigated. Finally, the correlation of microstructure, fabrication, and fatigue property will be demonstrated in order to optimize the fabrication process and structure, improving the fatigue resistance of SLMed HEA.

激光选区熔化（SLM）技术随着增材制造技术的不断革新，在制备高熵合金上发展潜力巨大，而对SLM制备高熵合金的疲劳性能的研究则可进一步拓展其在工程上的应用。SLM制备高熵合金过程中除了晶粒细化外，部分高熵合金中还存在大量的非平衡亚结构，这种亚结构也会影响高熵合金的疲劳性能。基于此，本项目利用SLM制备高熵合金，明确高熵合金中非平衡亚结构（包括亚晶粒、纳米析出物、层错等）的组成和分布规律，基于快速非平衡凝固和高熵合金本身的特点揭示非平衡亚结构的形成机制。分析SLM制备高熵合金中疲劳裂纹萌生和裂纹扩展特征，明确高熵合金内部缺陷和组织结构对其疲劳行为的影响，尤其是非平衡亚结构对疲劳裂纹的萌生和扩展的影响规律，揭示SLM制备高熵合金的疲劳失效机制。通过建立“制备工艺”、“组织结构”以及“疲劳性能”的相互关联性，优化制备工艺（包括成形工艺和后处理工艺）改善高熵合金的组织结构，提升高熵合金的抗疲劳性。

中文摘要(800字以内)：.激光选区熔化（SLM）在制备高熵合金上发展潜力巨大，而对SLM制备高熵合金的疲劳性能的研究则可进一步拓展其在工程上的应用。本项目利用SLM制备AlCrFeNiV高熵合金，系统研究了SLM成形过程中组织结构的演化规律及其对疲劳性能的影响。在此基础上，通过热等静压（HIP）的方法来进一步改善高熵合金的疲劳性能。主要研究成果如下：.1）.利用SLM技术通过优化工艺参数成功制备出相对密度达99.88%的AlCrFeNiV高熵合金，所制备高熵合金由FCC固溶体和L12纳米相组成，并展现出优异的强韧性（抗拉强度810 MPa，断后延伸率35.43 %），这主要归因于其内部分级的不均匀结构包括柱状晶、亚晶和L12纳米相等能够不同程度地阻碍了位错的运动使变形均匀化，进而实现了强韧性的平衡。.2）.针对SLM制备的高熵合金进行高周疲劳试验，发现断口附近区域的晶粒仍保持柱状晶形态，但出现了明显的织构现象。经过高周疲劳试验测得SLM制备高熵合金的疲劳极限为285 MPa。疲劳源主要为近表面缺陷，缺陷位置作为疲劳源，裂纹从缺陷处萌生扩展，并会引发二次裂纹，最终发生准解理断裂。同时发现在循环拉伸应力作用下发生了应力诱发相变现象，经过循环加载后B2相集中析出在位错胞胞壁位置。.3）.对SLM制备的高熵合金分别进行退火热处理和HIP处理。在热处理过程中，随着热处理温度从300℃提升到1200℃，高熵合金中亚晶消失，位错密度降低；同时逐步析出L12相、B2相和Cr-V固溶体相，使其强度提高而塑性降低。其中当热处理温度为900℃，保温时间为50hrs时，高熵合金抗拉强度(1193MPa)达到最高的同时仍保持较好的塑性（15.32%）。经过HIP处理后，高熵合金内柱状晶没有粗化，胞状结构消失，L12相发生长大。高温和高压作用诱发B2相在晶界处析出。采用优化的HIP处理工艺（1300 ℃, 4 h, 150 MPa）可显著降低高熵合金样品的孔隙缺陷，大幅度提升了样品的室温力学性能（UTS: 1334 MPa, FE: 19.2%）。.4）.经过HIP处理之后试样的疲劳极限为362MPa，由于B2相的强化效果，和长大的L12相对裂纹沿晶扩展的阻碍作用，使得HIP处理后的HEA疲劳极限相对于SLM态提高了27%。