中南&南洋理工 l 3D打印含Al高熵合金高周疲劳机制与晶格摩擦工程研究

LPBF ）增材制造能够制备具有细化组织并表现出优异力学性能的高熵合金（ HEAs ）。然而， LPBF 制备的含 Al 高熵合金的变形与疲劳机制仍不清楚。

中南大学与南洋理工大学的联合研究团队系统研究了LPBF增材制造工艺制备的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的拉伸性能、变形机制以及高周疲劳（HCF）响应，为理解LPBF 高熵合金的变形与疲劳机制提供了系统认识，并为通过“晶格摩擦工程”设计高强度、耐疲劳的增材制造高熵合金提供了指导。

激光粉末床熔融制备 Al0.5CoCrFeNi高熵合金的高周疲劳行为及变形机制研究

郑聃，牛朋达，甘科夫，袁铁锤，李瑞迪

中南大学，冶金与环境学院

中南大学，粉末冶金国家重点实验室

南洋理工大学，机械与宇航学院

研究结果表明，该直接打印态高熵合金在室温下实现了高强度与高延性的显著协同（899MPa与39%延伸率）。单轴拉伸变形主要由平面滑移、微带（microband）形成以及层片状位错边界（lamellar dislocation boundaries）的发展所主导，即使在接近断裂处也未观察到变形孪晶。在循环载荷下，该合金表现出明显的应力敏感性：在450 MPa时疲劳寿命急剧降低（43,802 周次），而在400 MPa时寿命提高至 544,320周次；当应力幅为 340 MPa时，循环次数超过10,000,000 次且试样未发生失效。值得注意的是，在循环加载过程中观察到变形孪晶，尤其在裂纹尖端附近。该合金固有的高晶格摩擦应力能够有效抑制广泛的循环应变局部化，从而在中等应力水平下提升其疲劳抗力。

文章亮点

1.LPBF直接打印态Al0.5CoCrFeNi高熵合金在室温下实现高强—高延性协同~899 MPa 强度与39%延伸率。

2.单轴拉伸变形以平面滑移、微带（microband）形成及层片状位错边界演化为主，即使接近断裂也未观察到变形孪晶。

3.高周疲劳表现出显著应力敏感性，且循环加载（尤其裂尖附近）可激活变形孪晶；合金固有的高晶格摩擦应力可抑制广泛循环应变局部化，从而提升中等应力水平下的疲劳抗力，并为“晶格摩擦工程”设计提供思路。

内容简介

日前，中南大学大学粉末冶金国家重点实验李瑞迪教授课题组在Rare Metals上发表了题为“High cycle fatigue behavior and deformation mechanisms of Al0.5CoCrFeNi high entropy alloy by Laser powder bed fusion”的研究文章。通过提高晶格摩擦应力（lattice friction stress）协同提升打印态Al0.5CoCrFeNi合金的强塑性，更关键的是，该合金在单轴拉伸下几乎不发生孪生，但在疲劳裂纹尖端的强局部应力场中会触发孪生，从而改变裂尖塑性区演化与裂纹扩展路径。

采用LPBF制备Al0.5CoCrFeNi高熵合金，利用EBSD（相/织构/晶粒形貌）、ECC（细观变形与微带）、TEM（位错结构/层错/孪生）等表征手段研究了疲劳前后样品的组织演变：疲劳裂纹对LPBF 过程引入多尺度异质性（晶粒形貌、胞状亚结构、残余应力、缺陷）极其敏感。通过提高合金晶格摩擦应力，合金在循环加载过程中有效抑制应变局部化，在中等应力水平下提升其疲劳抗力，合金疲劳极限为340MPa，约为强度的38%。研究为理解LPBF 高熵合金的变形与疲劳机制提供了系统认识，并为通过“晶格摩擦工程”设计高强度、耐疲劳的增材制造高熵合金提供了指导。

关键图文解析

图1 直接打印态Al0.5CoCrFeNi合金的物相鉴定与成分分析：（a）XRD图谱显示合金为FCC单相固溶体; (b) 合金的SEM观察和EDS能谱了均匀的元素分布；(c）样品的EBSD相分布图进一步证明了FCC单相基体；（d）各合金元素的含量。

图3直接打印态Al0.5CoCrFeNi合金的显微组织：（a-c）打印态合金在不同放大倍数下的STEM明场像；(d）基体的电子选区衍射花样.；（e）基体的高分辨图片（HR-TEM, (f-g) STEM显示了片层状的周期性析出物及其元素分布特征。

图文小结(图1-4)

EBSD + ECC + TEM 显示打印态具有典型 LPBF 层级组织，以柱状晶粒为主，局部夹杂细小等轴晶，晶内存在明显胞状/亚结构（~500 nm 量级）与高位错密度。TEM中可见堆垛层错与局部层片状特征。LPBF典型特征为强-塑-疲劳性能协同提供了可能：强度接近900 MPa，延伸率接近40%，疲劳极限约340 MPa。

图4 合金的力学性能：（a）单轴拉伸应力应变曲线；（b）疲劳SN曲线。

图6 EBSD表征了合金在单轴拉伸不同应变下的显微组织演变:（a1-b4）20%应变；（c1-d4）断口附近。

图7 利用STEM表征了单轴拉伸不同应变下的位错组态:（a-c）20%应变；（d-f）断口附近。

图文小结(图5-7)

EBSD+ECC+TEM显示，在单轴拉伸下，早期出现microbands（微带），随应变增加形成层片状位错边界（lamellar dislocation boundaries），即使接近断裂，也几乎看不到变形孪晶。结果表明：Al 提升晶格摩擦应力，抑制部分位错分解与孪晶形核，从而导致变形主要由位错的强平面滑移主导。

图8 高应力（450MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-b）裂纹尖端形貌，(c1-d3)尖端不同区域对应的IPF、KAM以及相分布图。

图10中应力（400MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-b）裂纹尖端形貌，(c-e)尖同区域对应的ECC图（电子衍衬图），显示了疲劳断口附近有孪晶形成。

图11中应力（400MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-c）分别对应不同区域的IPF、KAM以及相分布图。

图文小结（图8-11）

ECC/EBSD/TEM显示了在循环载荷下，裂纹尖端区域出现PSBs（持久滑移带），局部纳米晶化和变形孪晶，表现出与单轴拉伸不一样的断裂机制。结果表明：循环加载条件下，裂纹尖端局部应力集中，显著提高不全位错的分解驱动力，位错与孪晶“局部被激活，从而形成了滑移 + 孪晶的混合断裂机制。

全文小结

1.揭示“单调拉伸与循环加载的变形机制可显著不同”，尤其是孪生在裂尖区域的条件性激活，为理解AM合金疲劳提供了可迁移框架；

2.提出并验证“晶格摩擦工程”思路——通过成分设计提高lattice friction stress，以抑制循环应变局部化并提升中等应力幅下的疲劳抗力；

3.将S-N行为、断口形貌与裂尖微观机制联动，形成从宏观寿命到微观机制的闭环证据链。

论文引用

Zheng, Dan, PengdaNiu, KefuGan, TiechuiYuan, and RuidiLi. 2026. “High-Cycle Fatigue Behavior and Deformation Mechanisms of Al0.5CoCrFeNi High-Entropy Alloy by Laser Powder Bed Fusion,” Rare Metals: e70314.

https://doi.org/10.1002/rar2.70314.

作者简介

李瑞迪，男，中南大学粉末冶金研究院教授，博士生导师。国家重大人才工程特聘教授，主要从事激光增材制造技术研究，兼任中国材料研究学会难熔金属分会副主任委员、中国有色金属学会增材制造技术专业委员会副主任委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事，《Advanced Powder Materials》编委、《粉末冶金材料科学与工程》编委、《粉末冶金工业》编委、《轨道交通材料》编委、《铸造技术》青年编委。主持“十四五”国家重点研发计划项目、国家自然科学基金(联合基金重点、面上、青年)等国家级科研项目。第一/通讯在Advanced Materials, Acta Materialia, Scripta Materialia, Int. J. Machine Tools and Manufacture, International Journal of Plasticity, Additive Manufacturing, Journal of Materials Science and Technology等期刊发表SCI论文80余篇，其中ESI高被引7篇、ESI热点论文1篇，获授权发明专利20件。研究成果获湖南省自然科学二等奖（排1）、中国有色金属工业科学技术一等奖（排1）、教育部科学研究优秀成果一等奖（排3）、NFSOC高等教育教学成果一等奖（排1）、鼎新青年科学家奖(IJMMM)、全国有色金属青年科技奖。

3D科学谷

▌三维科学 l 无限可能

点亮“♥️”让朋友们知道您在看