低溫處理激光增材制造高熵合金拉伸性能和各向異性的優(yōu)化

來源：材料學(xué)網(wǎng)

等原子CrMnFeCoNi合金，也被稱為Cantor合金，是一種單相面心立方高熵合金(HEA)，由于其在77K時優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，具有用于低溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的潛力。然而在室溫下，CrMnFeCoNi的屈服強(qiáng)度僅為~215MPa，但它的應(yīng)變硬化顯著，極限抗拉強(qiáng)度為~500MPa。一些提高HEA屈服強(qiáng)度的嘗試取得了適度的成功，因為其強(qiáng)度的增加伴隨著延性的急劇下降。

為了避免這種合金的強(qiáng)度-延性平衡，已經(jīng)設(shè)想了促進(jìn)位錯增殖和阻礙其運(yùn)動的微觀結(jié)構(gòu)剪裁。其中一些定制策略包括在固溶體基質(zhì)中分散納米沉淀物，晶粒細(xì)化，納米孿晶的原位成核和通過預(yù)變形處理構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這些方法中，在HEA中原位成核納米孿晶被認(rèn)為是最有效的策略，因為原位成核納米孿晶的相干邊界不會在變形過程中在材料中產(chǎn)生應(yīng)變不均勻性。相比之下，在其他裁剪策略中形成的非相干晶界和相界具有相對較低的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。原位成核納米孿晶作為位錯滑移的有效屏障，并在塑性變形過程中觸發(fā)進(jìn)一步的孿晶，從而顯著增強(qiáng)HEA而不影響其延展性。此外，孿晶的形核還會使晶體局部重新定向，促進(jìn)更強(qiáng)烈的位錯相互作用，從而促進(jìn)均勻變形，防止應(yīng)變局部化。

為了解決上述所有問題，大連交通大學(xué)呂云卓教授團(tuán)隊研究了LMD制備的CrMnFeCoNi在制備和DCT處理條件下的微觀組織演變和力學(xué)行為。結(jié)果表明，在中等激光功率為1400 W的情況下，在DCT處理后，可以獲得最佳的殘余應(yīng)力分布，在不損失延性的情況下，可以提供最大的強(qiáng)度增強(qiáng)。相關(guān)研究成果以“Optimization of tensile properties and anisotropy in a cryogenically treated laser additively manufactured high entropy alloy”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上。

研究人員用不同的激光功率制造構(gòu)件，并測量產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布（圖1-2）。然后，研究了DCT循環(huán)對殘余應(yīng)力分布和缺陷密度的影響。此外，通過執(zhí)行拉伸測試，在構(gòu)建和DCT處理條件下，沿著構(gòu)建和掃描方向(BD和SD)評估構(gòu)建的機(jī)械性能（圖3-4）。主要成果如下：當(dāng)激光功率為1400W和2300W時，構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布梯度最大、最淺（圖5）。隨著DCT循環(huán)次數(shù)的增加，在構(gòu)建上的壓應(yīng)力疊加將兩個構(gòu)建的殘余應(yīng)力剖面轉(zhuǎn)移到更多的壓應(yīng)力上（圖6）。同時，底部和中間部分的脫位密度顯著增加，但頂部的強(qiáng)化程度明顯較低。在力學(xué)性能上存在明顯的各向異性，因此在兩種建筑中，沿SD的強(qiáng)度和延展性明顯高于沿BD的強(qiáng)度和延性。盡管DCT沿SD的最大強(qiáng)度比底部的強(qiáng)度低15%，但它仍然是一種極好的無損技術(shù)，可以在不犧牲延性的情況下提高強(qiáng)度。這種方法也可以應(yīng)用于具有低層錯能的合金。

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