长沙理工大学 etc. | IJP | 协同调控层错能与层次化析出设计实现DED镍基多主元合金近完全再结晶

原文标题：Engineering stacking fault energy and hierarchical precipitates in a near-fully recrystallized DED Ni-based multi-principal element alloy

标题翻译：近完全再结晶的定向能量沉积镍基多主元合金中工程堆垛层错能与分级析出相

通讯作者单位：瑞典皇家理工学院&长沙理工大学&浦项科技大学&日本东北大学

期刊：International Journal of Plasticity

DOI：10.1016/j.ijplas.2026.104682

图1：展示了本研究的材料制备、表征与整体方法论流程图。图(a)-(b)说明了通过双粉末进料系统，以可控重量比混合Ni35Cr16Fe16Co16Al7Ti5V5(at.%)和NiCrFe(at.%)合金粉末，采用DED技术原位合金化制备新型MPEA及非等原子比NiCoCrFe基础合金的过程。图(c)展示了铸造（VIM）及后续均质化+水淬处理制备对照样品的工艺流程。图(d)示意了从打印块体上切割拉伸样品的方法。图(e)总结性地展示了本研究的集成方法论，涵盖了从合金设计、通过DED进行微观结构剪裁，到对As-DED、DED-NiCoCrFe和Cast-SS三种样品最终力学性能进行对比分析的完整研究路径。

图3：通过EBSD分析了As-DED样品在构建方向-横截面（BD-x plane）上的晶粒结构。伪三维微观结构图（a）显示，虽然部分保留了沿构建方向的柱状晶形貌，但其连续性被许多细小的等轴晶频繁打断。反极图（b）显示晶粒沿着锯齿状扫描轨迹生长，x-y平面晶粒取向图（c）则呈现出近完全再结晶的晶粒。图（d）表明在x-BD平面上，完全再结晶晶粒占整体晶粒的92%。平均晶粒尺寸约为13.87 μm（e）。相分布图（f）证实基体主要为FCC相。晶界统计分析显示，低角度晶界（LAGBs）占6%，高角度晶界（HAGBs）占94%。几何必需位错（GNDs）主要聚集在亚结构区域，平均密度为1.48 × 10¹⁴ /m²，表明晶格畸变较低。织构分析（e）识别出沿BD//<001>方向的中等强度晶体学取向。

图8：通过第一性原理计算，研究了痕量元素（Al/Ti/V）对Ni基MPEAs本征层错能（γisf）的影响及温度依赖性。图(a)为FCC基体中含本征层错的密排面示意图。图(b)显示了在固定主元（Ni34.7Cr17.5Fe17.5Co14.5 at.%）比例下，随着Al含量增加、Ti/V含量相应减少，γisf呈现上升趋势。当Al含量达到6.3 at.%时，计算γisf约为19.50 mJ/m²，是未添加Al时的近3倍。图(c)展示了所设计名义成分（Ni34.7Cr17.5Fe17.5Co14.5Al6.3Ti4.5V4.5）及其在DED过程中因元素偏析导致的实测平均基体成分（Ni35Cr17.5Fe16.6Co15.2Al6.8Ti3.2V5.7）的γisf在0-1600K范围内的变化。两者γisf在0K时非常接近，且均随温度升高而增加，在室温至熔点的增材制造温度循环中表现出良好的热稳定性，这有助于抑制晶格失配，促进动态回复与再结晶。

图11：通过EBSD分析了As-DED样品变形后晶粒内的微观结构演变，揭示了层次化析出相对塑性变形的影响。图(a)的条带衬度图显示，在大晶粒内部存在广泛的位错滑移带，并且在析出相界面处有位错积累。图(b)相应的反极图表明这些变形带引起了局部晶格重新取向。图(c)为选定区域的细化反极图，显示接近<111>取向的大晶粒内析出相变形较小，而相互连接的胞状析出相则表现出明显的取向差（白色虚线标出）。图(d)表明，由于细小的动态再结晶晶粒和分布于晶内及晶界的未变形BCC/B2析出相的存在，限制了界面处的变形协调性，从而制约了位错运动。图(e)进一步显示，GNDs优先在晶界处积累，且FCC基体中的局部塑性应变场将BCC/B2析出相重排为沿晶界的不连续线状阵列，对滑移位错产生了显著的钉扎效应。

图13：通过TEM表征，揭示了As-DED样品在拉伸变形后位错与析出相之间的相互作用。图(a)显示，在狗骨样品断裂位置附近，观察到大量位错在析出相界面处塞积。BCC/B2析出相保持了其原始形貌和尺寸，成为界面处局部应力集中的位置。图(b)表明，非共格的析出相界面区域由于局部应力和应变集中，可作为裂纹萌生点。图(c)显示，尽管部分位错通过共格的L12和半共格的BCC/B2相与FCC基体之间的K-S取向关系穿越界面，保持了变形协调性，但潜在的位错胞结构在析出相外围持续存在。图(d)的EDS点分析定量证实了基体和析出相的成分，并揭示了在富含（Ti, Al）的初生析出相内部，存在纳米尺度的针状富（Fe, Cr）魏氏体型次生析出相。

图14：通过TEM详细分析了As-DED样品中FCC基体与BCC/B2析出相的界面结构、位错与层错行为。图(a)表明，由于相对较高的层错能稳定了基体结构，阻碍了层错形成，平面位错滑移主要被BCC/B2析出相阻碍，未观察到孪晶。图(b)和(c)进一步揭示，这些BCC/B2析出相内部含有次生的针状析出相，可进一步阻碍位错运动，产生钉扎效应。图(d1-d3)显示，位错线或位错环由领先和拖尾不全位错构成，其间被层错隔开，高分辨TEM和选区电子衍射证实了层错的存在。图(e)和(f)的高分辨TEM图像及几何相位分析（e1-e2, f1-f2）表明，由位错活动引起的晶格畸变主要集中在FCC基体内，而在析出相中仅观察到轻微的结构畸变。晶格应变在FCC基体与非共格界面处尤为显著。

① 提出并验证了一种集成相图计算与DFT的合金设计策略，通过协同调控层错能（至中等水平~19.5 mJ/m²）与层次化析出（BCC/B2+L12），在DED非平衡凝固条件下成功实现了Ni基MPEA的近完全动态再结晶（~92%）。

② 阐明了DED特有的非平衡凝固路径如何驱动元素偏析，从而形成晶内均匀分布的胞状BCC/B2初生析出相，以及针状纳米次生析出相的独特层次化结构，此结构不同于传统位错胞。

③ 揭示了中等层错能与层次化析出相在促进动态再结晶中的协同作用：层错能促进位错回复与交滑移，为再结晶提供动力；析出相通过颗粒激发形核机制促进连续动态再结晶，并抑制有害的晶界不连续析出。

④ 明确了该合金的变形与强化机制：位错平面滑移主要由DRXed晶粒内部的半共格BCC/B2析出相阻碍，共格L12相通过位错切过机制提供强化，细晶强化与K-S取向界面共同贡献了优异的强度-塑性协同。