金属基复合材料（MMCs）作为一种兼具金属基体和非金属强化颗粒性能的合成材料，由于具有强度高、热稳定性好、耐磨性好等优点，近年来受到了广泛的关注。然而，传统制造工艺（例如铸造或粉末冶金）中MMC 基体内部会形成强化颗粒的团聚和不均匀分布，这种不均匀分布的颗粒通常会导致室温下延展性以及MMC基体有效强度的损失。韧性的显著降低是高性能MMC设计中的一个主要问题，因为在传统制造工艺中通常很难避免增强颗粒的团聚。

鉴于上述困难，将非金属颗粒分解或溶解到金属基体中，然后激活化学反应生成新的第二相的原位合金化方法，已在MMC中得到广泛应用。这些强化相在MMC基体内呈现更均匀和更精细的分布。

在当前的工作中，南方科技大学逯文君教授团队开发了一种新策略，通过LPBF的原位合金化，在等原子 CoCrNi/Cr2B 复合材料中获得了良好的强度-延展性组合。首先，将1 wt%B4C颗粒添加到CoCrNi中熵合金（MEA）基体中，以促进 LPBF 加工过程中硼化物的原位形成。LPBF的超快凝固和冷却过程导致形成由高密度位错组成的纳米级蜂窝结构。由于界面能的降低，这种纳米级多孔结构的壁为增强硼化物提供了偏析或沉淀位点。因此，可以在 CoCrNi 中开发出纳米级核壳（NSCS）结构，即“软”基体（FCC 核）与“硬”沉淀物（Cr2B 壳）相结合复合材料作为优化机械性能的设计工具。CoCrNi/Cr2B复合材料机械性能的增强主要归因于NSCS的异质结构带来的承载强化和异质变形诱导（HDI）硬化的综合效应。此外，NSCS结构可以抑制裂纹扩展，从而在保持可接受的塑性的同时提高拉伸强度。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111428

主要图文 

图 1. (a)–(b) CoCrNi 中熵合金粉末 SEM 图像。(c) 成形后块体中熵合金样品的相应 XRD 数据。(d) 不同放大倍数下的 CoCrNi 中熵合金微观结构表征。CoCrNi 中熵合金的EBSD 数据包括 (e) 反极图、(f) 相和 (g) 核平均定向误差图。(h)–(i) 不同放大倍数的 CoCrNi 中熵合金的环形明场-高分辨率扫描TEM 图像。(j) 一般晶粒边界的高分辨率扫描TEM-EDS 图像描绘了五种元素的化学分布：Co、Ni、Cr、Al 和 O。(k) 原子分辨率高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像与 CoCrNi 中熵合金基质的相应 EDS 数据。 

图 2. 变形前成形CoCrNi/C2B 复合材料的微观结构特征。(a) 从 20° 到 130° 扫描的 XRD 谱图。(b)相关EBSD数据：(c)相位图、(d)反极图图和(e)核平均定向误差图。(f)–(g) (b) 中标记的高倍电子通道衬度图像。(h)–(i) 子结构（带状沉淀）的高角度环形暗场图像及EDS 图。(j) FCC基体和 Cr2B 相之间界面的原子分辨率高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像。(k1) 平行于 <110> 方向FCC 矩阵的高分辨率高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像和 (k2) 其相应的模拟图像。(k3) 其相关的快速傅里叶变换模式。(l1) 平行于 <001> 方向的 Cr2B 硼化物的高分辨率高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像和 (l2) 其相应的计算图像。(l3) 其相关的快速傅里叶变换模式。(m)–(o) 纳米级核壳结构的高角度环形暗场、环形暗场和环形明场高分辨率扫描TEM 图像。(p) 相应的 EDS 图与插图原子高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像。 

图 3. (a) 通过沿 <001> 方向的原子分辨率高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 成像捕获的 Cr2B 硼化物。(b) 相对于 Cr2B-Cb 晶格参考（黄色矩形区域）定义的从几何相位分析获得的数值应变分量。(c)–(d) 具有不同变体（C16 和 Cb）的 Cr2B 硼化物的两种典型高分辨率高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像。(e)–(f) 对应的积分微分相差图像。（g-h）Cr2B–C16 和 Cr2B-Cb 相中 Cr 元素的原子分辨率 EDS 图。

图 4. (a)–(b) 通过数字图像相关性分析得到中熵合金和 CoCrNi/Cr2B 复合材料在断裂前阶段的二维应变分布。(c) 中熵合金和CoCrNi/Cr2B 复合材料的重复工程应力-应变曲线和 (d) 真实应力-应变曲线。(e) 中熵合金和 CoCrNi/Cr2B 复合材料的加载-卸载曲线。(f) 异质变形诱导应力与中熵合金和 CoCrNi/Cr2B 复合材料应变的函数关系。

图 5. (a)–(b) 变形中熵合金样品断裂表面附近的电子通道衬度图像。(c)–(e) EBSD 数据，包括反极图、相位和核平均定向误差图。(f)–(g) 位置 1 的带有选区电子衍射图案的暗场TEM图像和带有快速傅里叶变换图案的高分辨率透射电镜图像。(h)–(i) 位置 2 的带有选区电子衍射图案的暗场TEM图像和带有快速傅里叶变换图案的高分辨率透射电镜图像。

图 6. (a)–(c) 整体应变约为 2% 的 CoCrNi/Cr2B 复合材料的变形微观组织。(d)–(g)不同放大倍率的 高角度环形暗场 和 环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像。(h)–(i) 晶胞边界的高分辨率扫描TEM-EDS 数据。

图 7. (a)–(c) 靠近断裂区域含有 Cr2B 相的CoCrNi/Cr2B 复合材料高分辨率 高角度环形暗场-高分辨率扫描TEM 图像。(d)–(f) 断裂表面和裂纹形态（一次裂纹和二次裂纹）的 电子通道衬度图像。(g)–(h) 断口表面韧窝结构的 SEM 图像。

图 8. (a) CoCrNi/Cr2B 复合材料的原位合金化反应示意图和 (b) CoCrNi/Cr2B 复合材料在拉伸变形过程中的微观结构演变示意图。

图9. 通过Thermo-Calc软件和TCHEA6数据库对CoCrNi/Cr2B复合材料进行的热力学模拟。(a) 计算的平衡相图和 (b) 基于 Scheil-Gulliver 假设的模拟凝固路径。

主要结论如下：

(1)通过LPBF原位合金化可以制备具有纳米核壳结构的CoCrNi/Cr2B复合材料。这种纳米尺寸的核壳结构是通过建立 CoCrNi 基体的“软核”并嵌入 Cr2B 硼化物的“硬壳”而形成的。

(2) 与无沉淀中熵合金相比，纳米核壳结构对提高CoCrNi/Cr2B复合材料的力学性能具有深远的强化作用：屈服强度（867±1.6 MPa）、拉伸强度（1200±13 MPa）、断裂应变（17±0.5 %）。

(3)CoCrNi/Cr2B复合材料的变形机制主要是堆垛层错的作用。拉伸强度和加工硬化率的提高归因于纳米尺寸核壳结构引起的异质变形诱导硬化。FCC基体和Cr2B硼化物之间的界面可以抑制裂纹的扩展，从而有助于进一步加工硬化以提高变形能力。

作者简介

逯文君，南方科技大学副教授/研究员（博/硕士生导师，独立PI），2020年加入南方科技大学机械与能源工程系。以6年时间在英国帝国理工材料科学与工程系完成本、博连读。博士毕业后获德国马普协会基金资助，赴德国马克斯普朗克钢铁研究所材料设计与高级表征部门进行博士后研究，合作导师Dierk Raabe院士与Gerhard Dehm教授。主要研究方向包括金属材料的设计、制备、加工以及力学性能调控、金属氢脆与腐蚀、晶界工程与相变、增材制造、高温合金、轻质合金、原位透射电镜（力、热、电、磁、气体与液体环境）、球差纠正扫描透射电子显微镜（高分辨率扫描TEM）及相关成像技术、联合电镜表征技术（透射电镜/三维原子探针/超低温聚焦离子束）等。逯文君博士在国际金属材料领域提出双相相变、纳米位错胞、双析出、纳米残余奥氏体、纳米层状结构、超低温抑制氢化物生成技术等创新理念，为新型高性能合金的设计研发提供了新思路和新方法；共发表SCI论文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，其中第一或通讯作者论文30余篇，谷歌学术总引用超2000，h指数26；主持国家自然科学基金委、深圳市科创委、松山湖材料实验室开放课题等项目；在第四届中德“大数据时代的球差矫正和原位电子显微学与谱学研讨会”、新材料国际发展趋势高层论坛等国际学术会议上做特邀报告多次，并获新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家奖（2021）；被评为Journal of Alloys and Compounds杂志杰出审稿人；受邀担任《Advanced Powder Materials》《中国有色金属学报》、《粉末冶金材料科学与工程》及《钢铁研究学报》期刊青年编委；入选全球前2%顶尖科学家名单；获英国TATA钢铁集团博士奖学金及德国马普协会奖学金。