激光重熔CrMnFeCoNi高熵合金：能量密度对元素偏析的调控机制与优化策略

这篇研究深入探讨了激光重熔（Laser Remelting）技术对CrMnFeCoNi高熵合金（HEA）元素偏析的影响机制。通过调控能量密度（24–67 J·mm?2），揭示了Mn在枝晶间偏析的两大主因：高能量下冷却速率降低导致的溶质堆积，以及低能量下熔池混合不充分遗留的原始不均匀性。研究确定了最佳工艺窗口（30–40 J·mm?2），为高熵合金快速局部均质化提供了替代传统热处理的新方案。

　　

引言

高熵合金（HEA）因其多主元特性展现出卓越的力学性能和耐腐蚀性，但传统铸造或定向能量沉积（DED）制备的CrMnFeCoNi（Cantor合金）常因枝晶偏析导致性能劣化。激光重熔技术通过快速熔凝可实现局部均质化，但其元素偏析机制尚不明确。本研究结合实验表征与计算模型，系统分析了能量密度对偏析行为的影响。

实验方法

研究采用电弧熔炼制备铸态和半均质化（1100°C/12h退火）Cantor合金，通过调整激光功率（200–400 W）和扫描速度（6–12.7 mm·s^?1）获得6种能量密度（16–67 J·mm^?2）。利用SEM/EDS分析枝晶臂间距（DAS）和元素分布，结合改进的Liang微偏析模型和计算流体动力学（CFD）模拟熔池对流效应。

结果与讨论

微观结构演变

熔池尺寸随激光功率增大而显著增加（宽度352→680 μm，深度44→473 μm）。低能量密度（24 J·mm^?2）下DAS仅为0.38 μm，对应冷却速率达1.2×10⁴ K·s^?1，而高能量（67 J·mm^?2）DAS增至1.04 μm，冷却速率降至6.6×10³ K·s^?1。

元素偏析特性

Mn表现出最显著的偏析倾向，其分配系数（k^Mn=0.81）和扩散速率（2.2×10^?13 m²·s^?1）加剧了枝晶间富集。高能量下Mn偏析达5.4 wt%（理论值），而实验显示铸态样品在31 J·mm^?2时偏析降低24.66%，优于传统24小时热处理效果。

熔池对流作用

CFD模拟揭示能量密度从24增至67 J·mm^?2时，熔池流速提升5.12倍。低能量下Mn扩散距离仅41 μm，导致原始不均匀性保留；而高能量下扩散距离达493 μm，但过慢冷却反而促进溶质堆积。

优化策略

研究提出"双阈值"调控机制：能量密度低于30 J·mm^?2时，熔池混合不足主导偏析；高于40 J·mm^?2时，冷却速率不足成为主因。退火基材因初始均质性更易实现优化，验证了预处理的重要性。

结论

激光重熔在30–40 J·mm^?2窗口内可实现快速（秒级）均质化，Mn偏析降幅达36.44%→24.66%。该技术为高熵合金的高效后处理提供了新范式，其机理框架可拓展至其他多组元合金体系。