在過去十年中，等原子比的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA），也稱為Cantor合金，因其在高強(qiáng)度、硬度、延展性和極端條件下的熱穩(wěn)定性方面的卓越組合而受到了廣泛關(guān)注[1,2]。機(jī)械性能（如延展性和強(qiáng)度）的提高通常歸因于各種晶體缺陷（包括位錯(cuò)、納米尺度孿晶和堆垛故障）之間的相互作用，尤其是在高應(yīng)變率下[3,4]。這些缺陷的形成顯著增強(qiáng)了材料的抗變形能力，并提高了其加工硬化能力[5]。
在實(shí)際使用條件下，材料會(huì)經(jīng)歷較大的溫度變化，這種溫度依賴性為高應(yīng)變率載荷下的變形機(jī)制增加了復(fù)雜性[6,7]。溫度起著關(guān)鍵作用：在低溫下，變形孿晶更為普遍，能夠適應(yīng)應(yīng)變并延緩斷裂[8,9]；而在高溫下，熱激活過程（如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）可能主導(dǎo)變形響應(yīng)[10]。例如，Laplanche等人[11]發(fā)現(xiàn)Cantor合金在77 K時(shí)的應(yīng)變硬化能力高于室溫；Gholizadeh等人[12]報(bào)告稱，高應(yīng)變率與高溫結(jié)合會(huì)加速DRX和晶粒細(xì)化，從而在高溫和高應(yīng)變率條件下改善了Cantor合金的延展性。這一趨勢(shì)與最近采用部分再結(jié)晶的策略一致，這些策略實(shí)現(xiàn)了HEAs在強(qiáng)度和延展性方面的同時(shí)提升[13]。
在面心立方（FCC）合金中，堆垛故障能（SFE）是決定塑性變形是通過完全位錯(cuò)滑移還是通過部分位錯(cuò)導(dǎo)致堆垛故障和孿晶形成的關(guān)鍵因素[14]。高SFE材料（>SFE ≈ 45 mJ/m2）傾向于促進(jìn)完美位錯(cuò)的滑移，而中等SFE材料（≈15–45 mJ/m2）則更容易發(fā)生位錯(cuò)分解為Shockley部分位錯(cuò)和廣泛的堆垛故障[14,15]。Cantor合金在室溫下的SFE約為18–27 mJ/m2，在較低溫度下進(jìn)一步降低[16]。Otto等人[17]證明，在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸（77–873 K）條件下，Cantor合金在小應(yīng)變（約2%）時(shí)最初通過位錯(cuò)滑移變形，但在較大應(yīng)變（約20%）時(shí)，在77 K下測(cè)試的樣品中出現(xiàn)了納米孿晶，而在更高溫度下則形成了位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)。確定激活滑移或?qū)\晶形成的臨界分辨剪切應(yīng)力（CRSS）對(duì)于理解這些變形行為至關(guān)重要[18]。在隨機(jī)固溶體中，滑移的CRSS主要由Peierls應(yīng)力控制——即在0 K時(shí)克服晶格摩擦所需的最小剪切應(yīng)力[19]。Patriarca等人[20]測(cè)量出77 K下單晶Cantor合金的CRSS約為175 MPa，這與修正后的Peierls–Nabarro模型預(yù)測(cè)（約178 MPa）相符。另一方面，變形孿晶通常需要更高的剪切應(yīng)力。Kibey等人[21]開發(fā)了一個(gè)理論模型，通過將孿晶能量路徑與基于第一性原理密度泛函理論（DFT）推導(dǎo)出的廣義堆垛故障能（GSFE）模型相結(jié)合。孿晶過程始于Shockley部分位錯(cuò)在{111}面上的滑移，形成多層堆垛故障。第一個(gè)部分位錯(cuò)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)在堆垛故障（ISF），隨后的部分位錯(cuò)生成孿晶堆垛故障，最終形成較大的孿晶。孿晶核化的激活應(yīng)力受到Lomer-Cottrell鎖的影響，是控制Cantor合金孿晶行為的主要因素[22]。關(guān)鍵的是，孿晶應(yīng)力強(qiáng)烈依賴于合金的ISF能量（ISFE）[23]。與此一致的是，SFE在20–25 mJ/m2范圍內(nèi)的FCC HEAs表現(xiàn)出明顯的孿晶形成傾向[[24], [25], [26]]，并且隨著SFE的降低，形成孿晶所需的應(yīng)力也隨之減小[27]。Laplanche等人[28]實(shí)驗(yàn)測(cè)得293 K下Cantor合金的孿晶CRSS約為235 MPa。此外，Tang等人[29]回顧了Cantor合金在高達(dá)103 s?1的高應(yīng)變率下的力學(xué)行為，強(qiáng)調(diào)了其顯著的應(yīng)變率敏感性以及變形孿晶在高應(yīng)變率下的重要作用。
一種使材料經(jīng)歷這種極端條件的實(shí)際應(yīng)用是冷氣體噴涂增材制造工藝。在冷噴涂過程中，金屬粉末顆粒（通常小于100 μm）被加速到約400–1200 m.s?1的超音速，并撞擊基底，導(dǎo)致大約10?–10? s?1的應(yīng)變率下的嚴(yán)重塑性變形。這些極端條件促進(jìn)了諸如絕熱變形和DRX等冶金現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在控制顆粒與基底之間的鍵合中起著關(guān)鍵作用[30,31]。要實(shí)現(xiàn)顆粒與基底之間的成功鍵合，需要超過臨界（閾值）的撞擊速度[32]。冷噴涂過程中的主要鍵合機(jī)制涉及去除粉末表面的氧化物，這一過程由界面應(yīng)變促進(jìn)[33]。許多研究[34], [35], [36]表明，噴射形成可以發(fā)生在顆粒與基底界面的邊緣。隨著顆粒撞擊速度的增加，這種噴射現(xiàn)象會(huì)更加明顯[35]。絕熱剪切不穩(wěn)定性（ASI）是描述噴射形成的主要機(jī)制之一[33]。ASI是由于強(qiáng)烈的塑性變形導(dǎo)致軟化機(jī)制占主導(dǎo)地位。這種軟化優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致材料中的應(yīng)變?cè)黾雍蛻?yīng)力降低[33,37]。剪切不穩(wěn)定性產(chǎn)生一股材料射流，增強(qiáng)了顆粒與基底之間的粘接[35]。ASI通常以二維方式發(fā)生，表現(xiàn)為稱為絕熱剪切帶（ASB）的局部帶狀結(jié)構(gòu)。ASB與高應(yīng)變率和嚴(yán)重的塑性變形相關(guān)[30]。在某些情況下，與塑性變形相關(guān)的局部絕熱加熱可以與微觀結(jié)構(gòu)變化相互作用，從而提高機(jī)械性能[7]。在鍛造的Cantor合金中，ASB與剪切區(qū)域內(nèi)約200–300 nm的顯著晶粒細(xì)化相關(guān)，這導(dǎo)致硬度比基體高出約70%[38]。
Bemechal等人[39]使用冷噴涂增材制造技術(shù)制備了CoCrNi中熵合金，并研究了其在2300至4200 s?1的高應(yīng)變率下的壓縮行為和變形機(jī)制。他們報(bào)告了大量納米孿晶的形成、大量變形誘導(dǎo)的HCP相、堆垛故障以及高密度的位錯(cuò)。盡管已有幾項(xiàng)研究考察了在超高應(yīng)變率條件下冷噴涂Cantor合金的微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能[33,29]，但在冷噴涂增材制造的背景下，尚未明確控制滑移和孿晶形成的臨界應(yīng)力與所得微觀結(jié)構(gòu)特征之間的直接關(guān)聯(lián)。分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬為研究原子尺度變形機(jī)制提供了強(qiáng)大的框架，包括位錯(cuò)活動(dòng)、孿晶核化和微觀結(jié)構(gòu)演變[40]。特別是，Yuqung Meng等人的MD研究[41,42]表明，在極端應(yīng)變率（10?–101? s?1）下，類似于沖擊或顆粒撞擊事件期間經(jīng)歷的應(yīng)變率，主導(dǎo)的變形模式從常規(guī)位錯(cuò)滑移轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螌\晶。此外，MD模擬能夠精確確定GSFE[40]。例如，Tian等人[40]使用MD研究了非等原子比CoCrFeMnNi HEAs中的a/2?110?刃型位錯(cuò)，展示了成分變化如何影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、部分位錯(cuò)分離和整體塑性。
本研究建立了一個(gè)全面的模型，用于預(yù)測(cè)控制冷噴涂Cantor合金變形的CRSS。我們的方法結(jié)合了實(shí)驗(yàn)微觀結(jié)構(gòu)演變、MD和FEM模擬來估算滑移和孿晶形成所需的剪切應(yīng)力。為了補(bǔ)充這些建模方法，還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以將模擬結(jié)果與物理觀察結(jié)果相對(duì)應(yīng)。具體來說，電子背散射衍射（EBSD）和高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）用于識(shí)別活躍的變形機(jī)制并檢查微觀結(jié)構(gòu)演變。
