激光光斑直径对SLM成形AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金微观结构与高温力学性能的调控机制研究

为解决SLM成形AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金(EHEA)的工艺窗口窄、缺陷控制难等问题，研究人员系统探究了50-85μm激光光斑直径对微观结构(FCC/B2相比例、晶界特征)和力学性能的影响。发现85μm光斑可使相对密度达99.8%，抗拉强度提升至1564MPa，并首次揭示其300℃下强度反超室温的异常现象，为高熵合金的增材制造工艺优化和高温应用提供新思路。

　　

在结构合金设计领域，如何平衡强度、延展性和热稳定性始终是科学家们面临的"不可能三角"难题。传统合金在复杂工况下往往顾此失彼——要么强度不足，要么脆性过大，高温环境下性能衰减更是雪上加霜。共晶合金的出现带来了转机，这类由两种以上相组成的材料能像"钢筋混凝土"般协同工作：硬相提供强度，软相保证塑性，周期性排列的层状结构还能有效阻碍裂纹扩展。而高熵合金(HEA)的加入，更让材料设计师们如虎添翼——多种主元带来的"鸡尾酒效应"可产生意想不到的性能组合。

在这片新材料沃土上，AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金(EHEA)堪称明星材料。它巧妙融合了面心立方(FCC)相的延展性和有序B2相(BCC变体)的强度，铸态下就能实现1186MPa抗拉强度和22.8%延伸率的完美平衡。但传统铸造技术难以制备复杂构件，而选择性激光熔化(SLM)技术凭借10⁵-10⁶K/s的超快冷却速率，不仅能精确成形复杂结构，还能通过调控凝固过程获得超细晶组织。不过问题随之而来：不同研究团队报道的SLM工艺参数差异巨大，特别是激光光斑直径这个关键变量如何影响性能仍是一团迷雾。

哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室的研究团队决心揭开这个"工艺黑箱"。他们采用LiM-X150A SLM系统，首次系统比较了50μm、70μm和85μm三种光斑直径下AlCoCrFeNi_2.1的成形规律。通过优化体积能量密度(VED)参数，结合SEM、EBSD、XRD等先进表征手段，不仅绘制出"缺陷地图"，更发现了光斑尺寸通过改变熔池能量分布，进而调控相组成、晶界特征和位错结构的连锁反应机制。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为高熵合金的增材制造提供了全新视角。

研究团队主要采用三大技术方法：首先通过等离子旋转电极法(PREP)制备15-53μm的球形预合金粉末；其次采用IPG 500W光纤激光器进行SLM成形，系统调整光斑直径(50-85μm)、激光功率(100-300W)和扫描速度(500-900mm/s)；最后通过阿基米德排水法测密度，结合OM、SEM观察缺陷，并利用EBSD分析晶界特征，XRD确定相组成，INSTRON 5982万能试验机进行室温/300℃拉伸测试。

【相对密度和工艺参数】

研究发现光斑直径显著影响工艺窗口：85μm样品在VED=125.6J·mm^-3时达到99.8%相对密度，其合格参数范围(密度>97%)比50μm样品宽3倍。小光斑易产生未熔合缺陷和层间裂纹，而大光斑能均匀能量分布，减少飞溅和匙孔孔隙。

【微观结构形貌与相分析】

所有样品均呈现熔池中心等轴晶与边缘层状柱状晶的典型SLM组织。但85μm样品熔池边缘出现更多再结晶现象，这是因其较慢的冷却速率促进了亚晶界迁移。XRD显示随着光斑增大，FCC相(111)峰增强而BCC(110)峰减弱，85μm样品的FCC相比例降至40%。EBSD进一步揭示：光斑增大使平均晶粒尺寸从0.5μm增至1.31μm，大角度晶界比例从52%升至67%，KAM值从0.368°降至0.323°，表明残余应力降低。

【力学性能】

85μm样品展现出惊人性能组合：室温抗拉强度1564MPa(比铸态高32%)，延伸率13.5%；300℃下强度反常增至1680MPa。相比之下，50μm样品虽晶粒更细，但因B2相比例低(45%)和残余应力高，性能明显逊色。断口分析显示大光斑样品具有更多韧窝，而小光斑样品在高温下出现解理台阶，这与B2相纳米沉淀导致的晶界脆化有关。

在讨论部分，作者构建了多尺度强化模型：虽然Hall-Petch效应预测50μm样品应更强，但85μm样品凭借60%B2相产生的界面强化(估算贡献450MPa)和更优的应力分配能力实现反超。高温下的反常强化可能与B2相内NiAl有序畴的热激活生长有关。该研究不仅解释了文献中VED最佳值的离散性，更首创性地提出"光斑直径-熔池能量分布-相选择-性能"的四级调控理论，为开发航天发动机热端部件等高温应用奠定基础。特别值得注意的是，85μm样品展现的"强度随温升"特性，颠覆了传统合金的高温软化认知，这可能开辟高熵合金在极端环境下的全新应用场景。