Новейшие достижения Института интеллектуального производства при Гуандунской академии наук, Китайской федерации машиностроительной промышленности, Южного университета науки и технологий, Университета Макао, Института лазерных технологий имени Фраунгофера и других организаций. 

Новейшие научные достижения Института интеллектуального производства при Гуандунской академии наук, Китайской федерации машиностроительной промышленности, Южного университета науки и технологий, Университета Макао и Института лазерных технологий имени Фраунгофера (ILT)

С целью всесторонней демонстрации новейших научных достижений нашей страны в области аддитивного производства многокомпонентных изделий — а также для стимулирования академического обмена и углубленного развития смежных дисциплин — журнал *Chinese Journal of Lasers* выпустил специальный тематический номер под названием «Аддитивное производство многокомпонентных изделий». Статья, подготовленная исследовательской группой под руководством профессора Би Гуйцзюня из Института интеллектуального производства при Гуандунской академии наук, была выбрана в качестве главной публикации (статьи на обложке) этого специального выпуска. Используя технологию лазерного прямого осаждения энергии (LDED), группа успешно изготовила гетерогенный высокоэнтропийный сплав, отличающийся трехмерным пространственным чередующимся распределением фаз; в качестве исходных материалов при этом использовались порошки высокоэнтропийных сплавов CoCrNi с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой и CoCrNiAl0.6TiFe с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой.

В настоящее время исследования в области лазерного аддитивного производства гетерогенных материалов сосредоточены преимущественно на четырех типовых стратегиях: (1) прямое аддитивное нанесение Материала А поверх Материала B; (2) введение промежуточного слоя (Материала C) между Материалом А и Материалом B; (3) аддитивное производство Материалов А и B с градиентным изменением их массовой доли; и (4) попеременное осаждение Материалов А и B для формирования слоистой структуры. Однако эти существующие подходы к лазерному аддитивному производству гетерогенных материалов демонстрируют вариации лишь в одном структурном направлении; уникальные преимущества технологии аддитивного производства — в частности, в части проектирования и изготовления сложных трехмерных пространственно-гетерогенных структур — пока еще не были реализованы в полной мере.

Для преодоления этого ограничения в рамках настоящего исследования были получены многомерные гетерогенные образцы путем динамического изменения подаваемого порошка в режиме реального времени непосредственно в процессе аддитивного производства. В конкретной экспериментальной схеме в качестве исходных материалов использовались порошки высокоэнтропийных сплавов CoCrNi (со структурой ГЦК) и CoCrNiAl0.6TiFe (со структурой ОЦК). С помощью технологии LDED был изготовлен трехмерный пространственно-гетерогенный высокоэнтропийный сплав, что позволило реализовать аддитивное производство многокомпонентных изделий, сочетающих в себе структуры как ГЦК, так и ОЦК в пределах единого целого. В ходе последующих исследований были изучены микроструктура, механические свойства и механизмы деформации этого гетерогенного материала.

Исследовательская группа под руководством профессора Би Гуйцзюня из Института интеллектуального производства при Гуандунской академии наук успешно преодолела ограничения проектирования, присущие традиционным гетерогенным материалам, которые, как правило, ограничены одним измерением (например, градиентные или слоистые структуры). Используя технологию лазерного прямого энергетического осаждения (Laser Directed Energy Deposition), ученые успешно создали гетерогенную структуру в трехмерном пространстве, характеризующуюся чередующимся распределением двух различных высокоэнтропийных сплавов. Конкретные инновационные аспекты данной работы проявляются следующим образом:

1. **Трехмерное пространственное проектирование структуры:** Благодаря тщательному планированию траектории осаждения нам удалось обеспечить чередующееся нанесение сплава CoCrNi с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой — отличающегося превосходной пластичностью («мягкая зона») — и сплава CoCrNiAl0.6TiFe с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой, характеризующегося высокой прочностью («твердая зона»). В результате этого процесса было реализовано чередующееся распределение «мягких» и «твердых» областей в трехмерном пространстве (Рис. 1), а не просто создание простой двумерной слоистой или градиентной структуры.

2. **Синергетическое превосходство эксплуатационных характеристик:** Данная инновационная структура позволила успешно преодолеть традиционную дилемму «компромисса» между прочностью и пластичностью материала. Свойства полученного материала продемонстрировали исключительное сочетание прочности и вязкости: был достигнут предел текучести >800 МПа, предел прочности при разрыве >2200 МПа и относительное удлинение при разрыве >40% (Рис. 2) — показатели, превосходящие значения, описанные в литературе для множества других высокоэнтропийных сплавов.

3. **Глубокое механистическое обоснование:** Исследование показало, что исключительные эксплуатационные характеристики материала обусловлены синергетическим взаимодействием между гетерогенным деформационным упрочнением и накоплением геометрически необходимых дислокаций на границах раздела фаз. Более того, частицы ОЦК-фазы в пределах «твердых зон» эффективно препятствуют распространению трещин и отклоняют их траекторию, в то время как ГЦК-фаза в «мягких зонах» обеспечивает возможность значительной пластической деформации; совместное действие этих двух фаз синергетически замедляет наступление разрушения материала (Рис. 3).

В рамках данного исследования нам удалось успешно изготовить высокоэнтропийный сплав, обладающий трехмерной пространственной гетерогенной структурой, с использованием технологии лазерного прямого энергетического осаждения. Механические свойства сплава демонстрируют выраженные градиентные характеристики: при переходе от «твердой зоны» к «мягкой зоне» твердость по Виккерсу постепенно снижается с 604,6 HV до примерно 373 HV, в то время как модуль индентирования остается относительно стабильным (варьируясь в диапазоне от 230 до 242 ГПа). Одновременно с этим доля работы пластической деформации возрастает с 80,9% до 87,6%, а показатель сопротивления пластической деформации ($H^3/E^2$) существенно снижается, что свидетельствует о постепенном повышении пластичности материала. Механизм распространения трещин в данном гетерогенном материале преимущественно определяется межфазным регулированием; анализ с использованием методов цифровой корреляции изображений (DIC) и дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) показывает, что зарождение трещин происходит преимущественно в областях, обогащенных ОЦК-фазой и характеризующихся высокой концентрацией напряжений. Однако в процессе распространения эти трещины сдерживаются окружающими ГЦК-фазами и гетерогенными межфазными границами, что приводит к отклонению траектории и бифуркации трещин — процессу, который в конечном итоге повышает трещиностойкость и деформационную устойчивость материала.