国仪量子扫描电镜助力激光增材制造！揭示CoCrNiNb₀.₁₂多主元合金的δ析出强化与变形机制

国仪量子扫描电镜助力激光增材制造！揭示CoCrNiNb₀.₁₂多主元合金的δ析出强化与变形机制

——北京航空航天大学冉先喆老师《MSEA》：构筑δ纳米析出相与稳定胞状结构，揭示选区激光熔化CoCrNiNb_0.12合金室温至低温的强化与变形机制！

低温金属结构材料在航天火箭推进系统等领域发挥着关键作用。CoCrNi多主元合金（MPEA）以多主元近等原子比形成面心立方（FCC）固溶体相，在低温环境下凭借层错形成与纳米孪晶的协同效应，表现出优异的断裂韧性和应变硬化能力，是前景广阔的低温金属材料之一。然而，屈服强度不足始终是制约CoCrNi MPEA复杂构件更广泛工程应用的关键瓶颈；同时，如何在激光增材制造过程中引入协同强化机制、兼顾室温与低温力学性能，仍是亟待解决的难题。

针对上述问题，北京航空航天大学材料科学与工程学院冉先喆老师借助国仪量子扫描电镜进行了深入研究，采用选区激光熔化（SLM）技术并结合后续退火处理，制备了添加Nb的CoCrNiNb_0.12多主元合金，构筑出富Nb的稳定胞状结构与δ纳米析出相。沉积态合金呈现特征尺寸约0.44 μm的Nb偏聚胞状结构；经750 ℃保温10 h退火（记为TM-750）后，胞状结构依然稳定，高密度针状δ纳米析出相优先沿富Nb胞界析出。TM-750合金在室温（298 K）下屈服强度达1002 MPa、延伸率5.6%，在液氮温度（77 K）下屈服强度进一步提升至1292 MPa。研究表明，合金强度的提升主要源于δ析出强化以及位错与胞状结构的交互作用。该研究以Strengthening and deformation mechanisms of selective laser melted CoCrNiNb_0.12 multi-principal element alloy by constructing δ nano-precipitate and stable cellular structure为题发表在《Materials Science & Engineering A》上。

沉积态合金的凝固显微组织

选区激光熔化过程中，高激光能量与快速凝固使沉积态CoCrNiNb_0.12合金形成了平均尺寸约33 μm的细小γ相晶粒，晶粒内部发育出特征尺寸约0.44 μm的胞状凝固组织（图1）。在胞状结构边界区域存在明显的Nb元素偏聚，并伴有一些不规则的富Nb析出相。TEM选区电子衍射（SAED）证实，这些块状富Nb析出相为六方结构的C14 Laves相；同时，胞界处聚集了大量位错，并伴随高密度层错（SFs）以及Lomer-Cottrell位错锁（LCs）。这些由快速凝固和熔池约束诱发的位错，被Nb偏聚形成的胞状结构所捕获，为合金提供了重要的初始强化。

图1. 沉积态SLM CoCrNiNb_0.12合金的凝固显微组织

退火组织与δ纳米析出相

经750 ℃保温10 h退火后，合金晶粒仅略有长大，平均尺寸约36 μm，未发生明显再结晶，退火仅诱发了适度的位错回复。胞状结构特征依然清晰可辨，尺寸约0.51 μm；C14 Laves相数量增多，部分长大并连接成岛状形貌。与此同时，在胞状结构边界区域形成了大量富含Nb、Ni元素的针状析出相（图2）。结合SAED分析，这些针状析出相被鉴定为正交有序结构的δ相，并存在两种变体，与基体保持(111)γ∥(010)δ、[110]γ∥[100]δ的取向关系。富Nb胞界既为δ相析出提供了有利的成分条件，原位析出的δ相又通过阻碍位错运动和界面演化进一步稳定了胞状结构。

图2. 750℃/10h退火后合金显微组织及δ纳米析出相

室温与低温拉伸性能

室温拉伸结果表明，沉积态合金屈服强度（YS）为943 MPa、抗拉强度（UTS）为1082 MPa，但断裂延伸率仅约4.9%，应变硬化能力较弱；退火后，TM-750合金室温YS、UTS和延伸率分别提升至1002 MPa、1290 MPa和5.6%，强度与应变硬化能力同步改善（图3）。当试验温度由298 K降至77 K时，两类试样强度均进一步提高，其中TM-750合金YS和UTS分别达到1292 MPa和1579 MPa。与文献报道的μ相、γ′相、B2相、碳化物增强以及无析出强化的各类SLM多主元合金相比，本研究合金在室温和低温下均展现出优异的屈服与抗拉强度组合。

图3. SLM CoCrNiNb_0.12合金室温与低温拉伸性能及对比

室温与低温变形机制

拉伸变形后的TEM观察表明，在室温下，位错易在胞状结构边界区域聚集，并被Laves相和δ相有效钉扎；同时，不同滑移面上层错（SFs）的交互作用促成大量Lomer-Cottrell位错锁。值得注意的是，部分位错能够剪切纳米尺度的δ析出相——这一在传统高温合金中鲜见的现象，可有效缓解局部应力/应变集中，使合金在提高屈服强度的同时不牺牲塑性。在77 K低温变形时，合金产生了密度更高的层错和新的纳米尺度变形孪晶（图4）；然而，δ析出相会破坏基体连续的FCC结构，钉扎变形孪晶与层错的长程扩展，使孪晶长度明显变短、层错在δ相附近局部堆积，从而削弱了孪晶与位错锁的强化贡献，导致低温延伸率降至TM-750的3.2%。

图4. SLM CoCrNiNb_0.12合金77K低温拉伸后的变形特征

强化机制的定量解析

为定量揭示合金的强化来源，团队将屈服强度分解为晶格摩擦应力（σ_fr）、固溶强化（σ_s）、晶界强化（σ_g）、位错强化（σ_d）和析出强化（σ_p）五部分（图5）。计算结果与实测强度吻合良好：沉积态合金中，位错强化贡献最为显著，占屈服强度的50%以上；750 ℃退火虽降低了位错密度、削弱了位错强化，但原位析出的高密度纳米δ相带来约409 MPa的析出强化，抵消了位错强化的衰减，并推动合金在室温与低温下获得更高的屈服强度。这表明，将δ纳米析出相与稳定胞状结构相结合，是增材制造CoCrNi基多主元合金实现从室温到低温高屈服强度的有效途径。

图5. 不同状态合金屈服强度各强化机制的贡献计算

总结

这项工作通过选区激光熔化结合直接退火，制备出由稳定胞状结构、不可剪切C14 Laves相和可剪切δ纳米析出相组成的异质析出CoCrNiNb_0.12多主元合金。稳定胞状结构通过阻碍位错运动提供基础强化，δ纳米析出相进一步提升屈服强度；室温下位错对δ相的部分剪切缓解了应力集中，而低温下δ相对变形孪晶和层错长程扩展的阻碍则使塑性降低。该研究为增材制造CoCrNi基多主元合金在室温至低温环境下获得高屈服强度提供了可行策略，有望为低温金属结构材料的设计与应用提供重要参考。

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