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增材制造高強(qiáng)韌高熵合金中基于切變型相變的微裂紋抑制機(jī)理

供稿人:宋海洋、王富 供稿單位:西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  發(fā)布日期:2022-06-22

增材制造以其良好的成本效益和材料節(jié)約的方式受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。選區(qū)激光熔化(SLM)作為一種激光粉末床熔融的增材制造工藝,越來越多地應(yīng)用于精細(xì)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜形狀金屬零件的制造,但是在利用該工藝對(duì)合金進(jìn)行制備時(shí),其微裂紋控制方面面臨著巨大挑戰(zhàn),本文從切變型相變的角度闡述了增材制造高熵合金的微裂紋抑制機(jī)理。

研究表明,經(jīng)SLM工藝制備的等原子比FeMnCoCrNi高熵合金為穩(wěn)定的單相面心立方(FCC)結(jié)構(gòu),因呈現(xiàn)出殘余拉應(yīng)力,因此產(chǎn)生了微裂紋。相比之下,具有低層錯(cuò)能的非等原子比亞穩(wěn)FeMnCoCr高熵合金在各種激光能量密度下則呈現(xiàn)出殘余壓應(yīng)力,且無(wú)微裂紋形成。

圖1 在不同的VED下,打印時(shí)單相等原子FeMnCoCrNi和雙相非等原子Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%) HEAs的殘余應(yīng)力
圖2 打印時(shí)HEAs的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布;(a) EBSD IPF 圖;(b,c) S單相等原子FeMnCoCrNi HEA的SEM圖像;(d) EBSD IPF 圖;(e,f) 雙相非等原子Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%) HEA的SEM圖像;(g-j) 通過EPMA分析得到了打印時(shí)雙相非等原子Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%) HEA中Fe、Mn、Co、Cr元素分布圖

從相變的角度來看,SLM過程中FCC基體向HCP馬氏體的位移轉(zhuǎn)變有效地抑制了亞穩(wěn)態(tài)高原子力合金通過消耗熱應(yīng)力相關(guān)內(nèi)能而產(chǎn)生的微裂紋。除此之外,還能產(chǎn)生較硬的HCP ε相,從而提高亞穩(wěn)態(tài)HEA的拉伸強(qiáng)度。

圖3 不同超視場(chǎng)下SLM試樣的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a);VED為185.2 J/mm3時(shí)SLM處理不同應(yīng)變水平下Fe50Mn30Co10Cr10 HEA的EBSD圖譜,20%(b1),25%(c1) and 30%(d1);以及應(yīng)變水平分別為20%(b2)、25%(c2)和30%(d2)的相分布圖

以上研究結(jié)果表明,經(jīng)激光打印后等原子比FeMnCoCrNi高熵合金顯示為穩(wěn)定的單相面心立方(FCC)結(jié)構(gòu),出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力,并產(chǎn)生微裂紋。相比之下,具有低層錯(cuò)能的非等原子比亞穩(wěn) FeMnCoCr高熵合金在各種激光能量密度下均出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力,且無(wú)微裂紋形成。在激光熔化后的冷卻過程中,亞穩(wěn)高熵合金中發(fā)生的從 FCC基體相到密排六方(HCP)相的切變型相變消耗了激光打印過程中的熱應(yīng)力,從而抑制微裂紋的產(chǎn)生。此外,相比于單相穩(wěn)定高熵合金,亞穩(wěn)高熵合金在拉伸變形過程中馬氏體相變也有助于提高其抗拉強(qiáng)度和延展性。

參考文獻(xiàn):

  1. Displacive transformation as pathway to prevent micro-cracks induced by thermal stress in additively manufactured strong and ductile high-entropy alloys,Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2021
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