通過熔池激光沖擊調(diào)制增材制造強(qiáng)化CoCrFeNi高熵合金

供稿人：王林、張航 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

增材制造技術(shù)由于具有靈活可控、生產(chǎn)原料成分易調(diào)、零件尺寸自由等優(yōu)點(diǎn)，從而成為金屬材料制造最廣泛的技術(shù)之一，尤其對(duì)于材料組分變化范圍較大的高熵合金開發(fā)優(yōu)勢(shì)更為明顯。在制造過程中通過優(yōu)化生產(chǎn)過程中的各種工藝參數(shù)以及退火熱處理、熱等靜壓等后處理，可以提高制造產(chǎn)品的機(jī)械性能。

而高熵合金的機(jī)械性能是由內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)決定的。因此調(diào)控材料微觀結(jié)構(gòu)的研究尤為重要。CoCrFeNi高熵合金的顯微組織通常是激光熔融期間熔池內(nèi)外延生長(zhǎng)的柱狀晶粒和熔池邊緣的等軸晶粒，這與熔池內(nèi)冷卻速率不同和其面心立方（FCC）基體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

武漢大學(xué)技術(shù)科學(xué)研究所的Heng Lu等人對(duì)CoCrFeNi高熵合金開發(fā)進(jìn)行研究，提出了一種新型熔池同步激光沖擊調(diào)制（LSMMP）方法，該工藝對(duì)熔池進(jìn)行激光沖擊以直接干擾再結(jié)晶過程，從而增強(qiáng)增材制造過程中的熔池對(duì)流并抑制柱狀晶體生長(zhǎng)，最終通過細(xì)化晶粒來(lái)提高打印樣品的機(jī)械性能。

圖1 熔池激光沖擊調(diào)制系統(tǒng)模型

同步激光沖擊調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備由一臺(tái)1kw連續(xù)光纖激光器、一臺(tái)焦耳級(jí)脈沖激光器、304不銹鋼基板以及一臺(tái)高速相機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)在高純氬氣氣氛中進(jìn)行，用于制造過程的連續(xù)激光束垂直于基板，而脈沖激光束與垂直方向偏離−10°。

在制造過程中對(duì)使用不同的激光沖擊能量（1 J，2 J，3 J）進(jìn)行研究目的，并使用高速相機(jī)對(duì)熔池演變過程進(jìn)行連續(xù)拍攝，結(jié)果如圖2(a)-(c)所示。通過對(duì)熔池的激光沖擊過程進(jìn)行分析，可以將其劃分為圖2(d)中的四個(gè)階段，I：以反沖壓力（P）和馬蘭戈尼對(duì)流（M）為主的對(duì)流機(jī)制;II：沖擊力（S）主導(dǎo)熔池振蕩;III：回彈力（R）主導(dǎo)熔池向上拱起;IV.階段：重力（G）主導(dǎo)熔池向下移動(dòng)并恢復(fù)其原始形狀。

圖2 (a)-(c)激光沖擊能量分別為1J、2J、3J時(shí)激光沖擊調(diào)制的實(shí)時(shí)圖像；(d).激光沖擊過程熔池演變的不同階段。

在第I階段，連續(xù)激光將CoCrFeNi粉末完全熔化，粉末獲得的熱量迅速釋放到基板上，使得底部的高溫產(chǎn)生向上的反沖壓力（P），將流體推離基體，而熔池表面的溫度梯度導(dǎo)致馬蘭戈尼對(duì)流（M），該對(duì)流驅(qū)動(dòng)熔池表面的流體從高溫區(qū)域移動(dòng)到低溫區(qū)域。在第II階段，沖擊力（S）破壞了熔池的原始狀態(tài)，熔池形貌與激光沖擊的能量相關(guān)。第III階段熔池中的流體向邊緣移動(dòng)，并在遇到固體時(shí)向中心反彈，使得熔池中心再次拱起，最終在第IV階段，在重力（G）的作用下熔池恢復(fù)平靜。

分別觀察無(wú)激光沖擊和使用0J、1J、2J脈沖激光沖擊的CoCrFeNi打印樣件截面熔池，在圖3所示的電子背散射衍射圖（EBSD）中可以看到，在激光增材制造過程中，激光沖擊不僅改變了熔池的大小形狀，還對(duì)材料的微觀組織晶粒大小有所影響，最終改變成型樣件的機(jī)械性能。

圖3 不同脈沖激光能量的電子背散射衍射圖（EBSD）:（a）0 J;（b）1 J;（c）2 J;（d）3J;

最終對(duì)比無(wú)激光沖擊和不同激光沖擊能量的打印樣件性能，得到的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后的材料屈服強(qiáng)度均有所提升，在脈沖激光能量為1J時(shí)有最大的強(qiáng)度值和延伸率。

圖4. 用不同脈沖激光能量制備的樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線

參考文獻(xiàn)：
Lu H,He Y,Zhao Z.Strengthening CoCrFeNi high entropy alloys via additive manufacturing with laser shock modulation of melt pool.Materials Science And Engineering.2022;11(6):860.