南华大学开发晶界偏析型 CoCrNi 复合材料 突破增材制造中熵合金裂纹难题

中熵合金作为新一代高性能金属材料，因其优异的力学性能、耐腐蚀性和高温稳定性，在航空航天、高端装备等领域具有广阔的应用前景。其中 CoCrNi 系中熵合金更是因其卓越的强韧性匹配，成为材料科学领域的研究热点。然而采用激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造技术制备 CoCrNi 中熵合金时，面临着一个棘手的技术难题 —— 打印件容易出现裂纹。这是因为在快速熔化和快速凝固的过程中，材料内部会产生较大的热应力，而中熵合金的晶界强度相对不足，在热应力的作用下容易沿晶界产生裂纹，严重影响零件的力学性能和使用可靠性。

南华大学联合德国莱布尼茨固体与材料研究所和哈尔滨工业大学的研究团队，通过创新性的晶界偏析设计，成功开发出一种适用于增材制造的高性能 CoCrNi 基复合材料，突破了激光粉末床熔融技术制备中熵合金的裂纹难题。

该研究的核心思路是在 CoCrNi 中熵合金中引入微米级的 TiC 陶瓷颗粒，通过 TiC 颗粒在熔池中的溶解和析出行为，诱导碳原子向晶界偏析，从而实现晶界的强化。机理研究表明，TiC 颗粒在激光熔化过程中会部分溶解，释放出碳原子，这些碳原子在随后的凝固过程中会优先偏聚在晶界处，显著降低晶界能，提高晶界的结合强度。同时，未完全溶解的 TiC 颗粒和原位析出的碳化物，还可以起到第二相强化的作用，进一步提升材料的强度。通过这种 "晶界偏析强化 + 第二相强化" 的协同作用，研究团队成功制备出了无裂纹的 CoCrNi 基复合材料，材料的强度和韧性均得到了显著提升。

除了材料成分设计外，研究团队还对激光粉末床熔融的工艺参数进行了系统优化，包括激光功率、扫描速度、扫描策略、铺粉层厚等关键参数，确保了 TiC 颗粒在熔池中的均匀分布和充分的冶金反应，同时控制了熔池的凝固行为，进一步抑制了裂纹的产生。实验结果显示，优化工艺后制备的 CoCrNi-TiC 复合材料，致密度可达 99% 以上，内部无明显裂纹和气孔，微观组织均匀，力学性能优异。

这项研究不仅成功解决了增材制造中熵合金的裂纹难题，还提出了 "晶界偏析设计" 这一全新的材料强化思路，为高性能增材制造金属材料的研发提供了新的研究范式。在应用层面，这种高性能 CoCrNi 基复合材料在航空航天发动机部件、高端装备的关键结构件、极端环境下的耐磨零件等场景中具有重要的应用价值。