利用亚稳态相变调控多主元合金增材制造中的晶粒尺寸：FeMnCoCr体系中的固态相变机制

针对增材制造(AM)中多主元合金(MPEAs)晶粒粗化和外延柱状晶生长的难题，研究人员通过调控FeMnCoCr体系中Mn含量诱导亚稳态体心立方(bcc)相变，结合原位同步辐射X射线衍射(XRD)和跨尺度表征技术，实现了70%以上的晶粒细化。该研究揭示了相稳定性工程对微观结构调控的关键作用，为高性能合金设计提供了新范式。

　　

在金属增材制造领域，控制凝固组织始终是核心挑战。传统合金在激光熔融过程中易形成粗大的柱状晶，导致力学性能各向异性。多主元合金（MPEAs，又称高熵合金）因其独特的化学复杂性和可调相稳定性，为微观结构设计提供了广阔空间。然而，如何通过成分设计打破外延生长、实现晶粒细化，仍是亟待解决的科学问题。

美国康奈尔大学Atieh Moridi团队选择FeMnCoCr体系作为模型平台，创新性地通过增加Mn含量（40-50 at.%）来降低面心立方(fcc)相稳定性，触发亚稳态体心立方(bcc)相变。研究发现，Mn50合金在直接能量沉积(DED)过程中，先形成瞬态bcc相，随后通过相变诱导的再辉效应使枝晶臂重熔，最终获得平均晶粒尺寸5.3±3.8μm的等轴晶组织，较传统成分细化70%以上。该成果发表于《Nature Communications》。

研究采用多尺度技术联用策略：通过Scheil-Gulliver模型预测凝固路径；利用康奈尔高能同步辐射光源(CHESS)进行毫秒级原位XRD捕捉bcc→fcc相变动力学；结合电子背散射衍射(EBSD)和扫描透射电镜(STEM)解析σ相分布；采用微拉伸测试评估力学性能。

【结果部分】
相稳定性调控：热力学模拟显示Mn含量增加会促进bcc相形成。原位XRD首次捕捉到Mn50在3.68秒出现的瞬态bcc(211)峰，其晶格参数膨胀（△T≈107℃）暗示相变潜热导致的再辉效应。

晶粒细化机制：Mn50的(220)fcc衍射斑点呈均匀弥散分布，表明晶粒尺寸显著减小。EBSD证实其平均晶粒尺寸（5.3μm）仅为Mn40（20.0μm）的26%，且柱状晶生长被σ相（Cr₂₃Mn₆型）打断。

力学性能：屈服强度随Mn含量提升（Mn50达411.9±18.3 MPa），符合Hall-Petch关系；但延伸率轻微下降（26.8%），可能与σ相界面Cr偏聚有关。

【讨论与意义】
该研究揭示了亚稳态相变的三重作用：bcc→fcc相变引发晶界增殖；再辉效应促进枝晶臂重熔；σ相钉扎晶界。与传统PBF（粉末床熔融）工艺相比，DED较低的冷却速率（10³-10⁴ K/s）更利于亚稳态相保留。研究建立了"成分-相变-工艺-组织-性能"的全链条关系，为开发新型AM专用合金提供了理论框架。局限性在于同步辐射单投影检测可能遗漏快速相变信号，未来需通过多探测器联用提升时空分辨率。这项相稳定性工程策略可拓展至其他MPEA体系，推动增材制造向微观结构精准调控迈进。