金屬基復(fù)合材料（MMCs）作為一種兼具金屬基體和非金屬強(qiáng)化顆粒性能的合成材料，由于具有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)制造工藝（例如鑄造或粉末冶金）中MMC 基體內(nèi)部會形成強(qiáng)化顆粒的團(tuán)聚和不均勻分布，這種不均勻分布的顆粒通常會導(dǎo)致室溫下延展性以及MMC基體有效強(qiáng)度的損失。韌性的顯著降低是高性能MMC設(shè)計(jì)中的一個主要問題，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)制造工藝中通常很難避免增強(qiáng)顆粒的團(tuán)聚。

鑒于上述困難，將非金屬顆粒分解或溶解到金屬基體中，然后激活化學(xué)反應(yīng)生成新的第二相的原位合金化方法，已在MMC中得到廣泛應(yīng)用。這些強(qiáng)化相在MMC基體內(nèi)呈現(xiàn)更均勻和更精細(xì)的分布。

在當(dāng)前的工作中，南方科技大學(xué)逯文君教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新策略，通過LPBF的原位合金化，在等原子 CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料中獲得了良好的強(qiáng)度-延展性組合。首先，將1 wt%B4C顆粒添加到CoCrNi中熵合金（MEA）基體中，以促進(jìn) LPBF 加工過程中硼化物的原位形成。LPBF的超快凝固和冷卻過程導(dǎo)致形成由高密度位錯組成的納米級蜂窩結(jié)構(gòu)。由于界面能的降低，這種納米級多孔結(jié)構(gòu)的壁為增強(qiáng)硼化物提供了偏析或沉淀位點(diǎn)。因此，可以在 CoCrNi 中開發(fā)出納米級核殼（NSCS）結(jié)構(gòu)，即“軟”基體（FCC 核）與“硬”沉淀物（Cr2B 殼）相結(jié)合復(fù)合材料作為優(yōu)化機(jī)械性能的設(shè)計(jì)工具。CoCrNi/Cr2B復(fù)合材料機(jī)械性能的增強(qiáng)主要?dú)w因于NSCS的異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來的承載強(qiáng)化和異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化的綜合效應(yīng)。此外，NSCS結(jié)構(gòu)可以抑制裂紋擴(kuò)展，從而在保持可接受的塑性的同時提高拉伸強(qiáng)度。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111428

主要圖文 

圖 1. (a)–(b) CoCrNi 中熵合金粉末 SEM 圖像。(c) 成形后塊體中熵合金樣品的相應(yīng) XRD 數(shù)據(jù)。(d) 不同放大倍數(shù)下的 CoCrNi 中熵合金微觀結(jié)構(gòu)表征。CoCrNi 中熵合金的EBSD 數(shù)據(jù)包括 (e) 反極圖、(f) 相和 (g) 核平均定向誤差圖。(h)–(i) 不同放大倍數(shù)的 CoCrNi 中熵合金的環(huán)形明場-高分辨率掃描TEM 圖像。(j) 一般晶粒邊界的高分辨率掃描TEM-EDS 圖像描繪了五種元素的化學(xué)分布：Co、Ni、Cr、Al 和 O。(k) 原子分辨率高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像與 CoCrNi 中熵合金基質(zhì)的相應(yīng) EDS 數(shù)據(jù)。 

圖 2. 變形前成形CoCrNi/C2B 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。(a) 從 20° 到 130° 掃描的 XRD 譜圖。(b)相關(guān)EBSD數(shù)據(jù)：(c)相位圖、(d)反極圖圖和(e)核平均定向誤差圖。(f)–(g) (b) 中標(biāo)記的高倍電子通道襯度圖像。(h)–(i) 子結(jié)構(gòu)（帶狀沉淀）的高角度環(huán)形暗場圖像及EDS 圖。(j) FCC基體和 Cr2B 相之間界面的原子分辨率高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像。(k1) 平行于 <110> 方向FCC 矩陣的高分辨率高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像和 (k2) 其相應(yīng)的模擬圖像。(k3) 其相關(guān)的快速傅里葉變換模式。(l1) 平行于 <001> 方向的 Cr2B 硼化物的高分辨率高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像和 (l2) 其相應(yīng)的計(jì)算圖像。(l3) 其相關(guān)的快速傅里葉變換模式。(m)–(o) 納米級核殼結(jié)構(gòu)的高角度環(huán)形暗場、環(huán)形暗場和環(huán)形明場高分辨率掃描TEM 圖像。(p) 相應(yīng)的 EDS 圖與插圖原子高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像。 

圖 3. (a) 通過沿 <001> 方向的原子分辨率高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 成像捕獲的 Cr2B 硼化物。(b) 相對于 Cr2B-Cb 晶格參考（黃色矩形區(qū)域）定義的從幾何相位分析獲得的數(shù)值應(yīng)變分量。(c)–(d) 具有不同變體（C16 和 Cb）的 Cr2B 硼化物的兩種典型高分辨率高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像。(e)–(f) 對應(yīng)的積分微分相差圖像。（g-h）Cr2B–C16 和 Cr2B-Cb 相中 Cr 元素的原子分辨率 EDS 圖。

圖 4. (a)–(b) 通過數(shù)字圖像相關(guān)性分析得到中熵合金和 CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料在斷裂前階段的二維應(yīng)變分布。(c) 中熵合金和CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料的重復(fù)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 (d) 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(e) 中熵合金和 CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料的加載-卸載曲線。(f) 異質(zhì)變形誘導(dǎo)應(yīng)力與中熵合金和 CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。

圖 5. (a)–(b) 變形中熵合金樣品斷裂表面附近的電子通道襯度圖像。(c)–(e) EBSD 數(shù)據(jù)，包括反極圖、相位和核平均定向誤差圖。(f)–(g) 位置 1 的帶有選區(qū)電子衍射圖案的暗場TEM圖像和帶有快速傅里葉變換圖案的高分辨率透射電鏡圖像。(h)–(i) 位置 2 的帶有選區(qū)電子衍射圖案的暗場TEM圖像和帶有快速傅里葉變換圖案的高分辨率透射電鏡圖像。

圖 6. (a)–(c) 整體應(yīng)變約為 2% 的 CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料的變形微觀組織。(d)–(g)不同放大倍率的 高角度環(huán)形暗場 和 環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像。(h)–(i) 晶胞邊界的高分辨率掃描TEM-EDS 數(shù)據(jù)。

圖 7. (a)–(c) 靠近斷裂區(qū)域含有 Cr2B 相的CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料高分辨率 高角度環(huán)形暗場-高分辨率掃描TEM 圖像。(d)–(f) 斷裂表面和裂紋形態(tài)（一次裂紋和二次裂紋）的 電子通道襯度圖像。(g)–(h) 斷口表面韌窩結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像。

圖 8. (a) CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料的原位合金化反應(yīng)示意圖和 (b) CoCrNi/Cr2B 復(fù)合材料在拉伸變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖。

圖9. 通過Thermo-Calc軟件和TCHEA6數(shù)據(jù)庫對CoCrNi/Cr2B復(fù)合材料進(jìn)行的熱力學(xué)模擬。(a) 計(jì)算的平衡相圖和 (b) 基于 Scheil-Gulliver 假設(shè)的模擬凝固路徑。

主要結(jié)論如下：

(1)通過LPBF原位合金化可以制備具有納米核殼結(jié)構(gòu)的CoCrNi/Cr2B復(fù)合材料。這種納米尺寸的核殼結(jié)構(gòu)是通過建立 CoCrNi 基體的“軟核”并嵌入 Cr2B 硼化物的“硬殼”而形成的。

(2) 與無沉淀中熵合金相比，納米核殼結(jié)構(gòu)對提高CoCrNi/Cr2B復(fù)合材料的力學(xué)性能具有深遠(yuǎn)的強(qiáng)化作用：屈服強(qiáng)度（867±1.6 MPa）、拉伸強(qiáng)度（1200±13 MPa）、斷裂應(yīng)變（17±0.5 %）。

(3)CoCrNi/Cr2B復(fù)合材料的變形機(jī)制主要是堆垛層錯的作用。拉伸強(qiáng)度和加工硬化率的提高歸因于納米尺寸核殼結(jié)構(gòu)引起的異質(zhì)變形誘導(dǎo)硬化。FCC基體和Cr2B硼化物之間的界面可以抑制裂紋的擴(kuò)展，從而有助于進(jìn)一步加工硬化以提高變形能力。

作者簡介

逯文君，南方科技大學(xué)副教授/研究員（博/碩士生導(dǎo)師，獨(dú)立PI），2020年加入南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系。以6年時間在英國帝國理工材料科學(xué)與工程系完成本、博連讀。博士畢業(yè)后獲德國馬普協(xié)會基金資助，赴德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所材料設(shè)計(jì)與高級表征部門進(jìn)行博士后研究，合作導(dǎo)師Dierk Raabe院士與Gerhard Dehm教授。主要研究方向包括金屬材料的設(shè)計(jì)、制備、加工以及力學(xué)性能調(diào)控、金屬氫脆與腐蝕、晶界工程與相變、增材制造、高溫合金、輕質(zhì)合金、原位透射電鏡（力、熱、電、磁、氣體與液體環(huán)境）、球差糾正掃描透射電子顯微鏡（高分辨率掃描TEM）及相關(guān)成像技術(shù)、聯(lián)合電鏡表征技術(shù)（透射電鏡/三維原子探針/超低溫聚焦離子束）等。逯文君博士在國際金屬材料領(lǐng)域提出雙相相變、納米位錯胞、雙析出、納米殘余奧氏體、納米層狀結(jié)構(gòu)、超低溫抑制氫化物生成技術(shù)等創(chuàng)新理念，為新型高性能合金的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了新思路和新方法；共發(fā)表SCI論文80余篇，包括Nature Materials 1篇、Advanced Materials 3篇、Materials Today 3篇、Nature Communications 6篇、Science Advances 1篇、Advanced Functional Materials 1篇、Physical Review Letters 1篇、Acta Materialia 12篇、Scripta Materialia 6篇等，其中第一或通訊作者論文30余篇，谷歌學(xué)術(shù)總引用超2000，h指數(shù)26；主持國家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室開放課題等項(xiàng)目；在第四屆中德“大數(shù)據(jù)時代的球差矯正和原位電子顯微學(xué)與譜學(xué)研討會”、新材料國際發(fā)展趨勢高層論壇等國際學(xué)術(shù)會議上做特邀報告多次，并獲新材料國際發(fā)展趨勢高層論壇優(yōu)秀青年科學(xué)家獎（2021）；被評為Journal of Alloys and Compounds雜志杰出審稿人；受邀擔(dān)任《Advanced Powder Materials》《中國有色金屬學(xué)報》、《粉末冶金材料科學(xué)與工程》及《鋼鐵研究學(xué)報》期刊青年編委；入選全球前2%頂尖科學(xué)家名單；獲英國TATA鋼鐵集團(tuán)博士獎學(xué)金及德國馬普協(xié)會獎學(xué)金。