南洋理工大學(xué)|脈沖激光增材制造制備高強(qiáng)度和延展性的CrCoNi中熵合金

來(lái)源： 高能束加工技術(shù)及應(yīng)用

來(lái)自南洋理工大學(xué)的研究人員在Materials today 期刊上發(fā)表了Pulsed-wave laser additive manufacturing of CrCoNi medium-entropy alloys with high strength and ductility。

CrCoNi 合金是最受歡迎的中高熵合金之一，以其出色的機(jī)械性能而聞名，尤其是在低溫下。然而，在保持其高延展性的同時(shí)，進(jìn)一步提高 CrCoNi 在室溫下的屈服強(qiáng)度仍然具有挑戰(zhàn)性。盡管CrCoNi合金在室溫下具有較好的韌性，但其屈服強(qiáng)度并不高于傳統(tǒng)高強(qiáng)度合金。傳統(tǒng)制造方法所制備的CrCoNi合金屈服強(qiáng)度通常在300-500 MPa之間，且由于完全由較軟的FCC相組成。增材制造（AM）技術(shù)，特別是激光粉末床熔化（LPBF），因其能夠產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和超細(xì)凝固結(jié)構(gòu)，LPBF技術(shù)有提高CrCoNi合金強(qiáng)度的潛力，且不影響合金自身延展性。

在本文中，使用特制的激光粉末床熔化（L-PBF）機(jī)器，配備了200W 的SPI光纖激光源，以脈沖模式（頻率 1000 kHz，脈沖時(shí)間 250 ns）打印CrCoNi合金樣品。使用的是20至53微米粒度范圍的CrCoNi粉末，在純氮環(huán)境中中制備，參數(shù)設(shè)定為激光功率200W、粉末層厚度40 μm和層間掃描旋轉(zhuǎn)角度為90°。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察樣品表征，優(yōu)化工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品相對(duì)密度高于99.8%。微觀結(jié)構(gòu)表征使用了激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子背散射衍射（EBSD）和能譜儀（EDS）。此外，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了制造過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，并通過(guò)SHIMADZU AG-X plus機(jī)器進(jìn)行拉伸測(cè)試評(píng)估了樣品的機(jī)械性能。為了對(duì)比，還使用商業(yè)LPBF機(jī)器（EOS M290）和不同比例的鎢（W）粉末進(jìn)行了額外實(shí)驗(yàn)，以研究脈沖激光對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，以及對(duì)難熔元素合金化的有效性。

圖文解析
圖1展示了制備CrCoNi合金的示意圖和樣品微觀結(jié)構(gòu)特征，圖1 (a)展示了制備示意圖和CrCoNi合金晶格結(jié)構(gòu)圖。 圖1(b)為脈沖激光器和連續(xù)激光器的對(duì)比示意圖。圖1(c)展示了從橫截面看樣品在不同長(zhǎng)度尺度上的顯微結(jié)構(gòu)特征。圖1(c)包括顯示構(gòu)建方向（BD）的晶粒生長(zhǎng)圖。低角度晶界（LAGB）和高角度晶界（HAGB）分布的晶界圖，以及顯示重疊熔池內(nèi)凝固結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖中1(d)顯示了納米級(jí)凝固池邊界的元素偏析。

圖1. 脈沖激光粉末床熔合制造CrCoNi合金的示意圖和樣品微觀結(jié)構(gòu)特征。

圖2展示了脈沖激光粉床熔化所制備的CrCoNi合金的拉伸性能。圖2(a)展示了采用不同激光源脈沖激光粉床熔化和連續(xù)激光粉床熔化制造的CrCoNi合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖2(b)則比較脈沖激光粉床熔化制造的CrCoNi合金與其他增材制造技術(shù)制造的CrCoNi合金的屈服強(qiáng)度與均勻伸長(zhǎng)率間的區(qū)別。圖2(c)展示了不同艙口間距下脈沖激光粉床熔化制造的CrCoNi合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線并且圖2(d) 展示了相應(yīng)的應(yīng)變硬化率曲線。

圖2. 脈沖激光粉床熔化制備的CrCoNi合金的拉伸性能。

圖3展示了CrCoNi合金的孿晶和加工硬化特性；圖3(a)是一個(gè)亮場(chǎng)透射電子顯微鏡（BF-TEM）圖像，插入了選區(qū)電子衍射（SAED）圖案，顯示了應(yīng)變達(dá)到2%前變形孿晶的激活；圖3(b)是一個(gè)背散射電子掃描電子顯微鏡（BSE-SEM）圖像，展示了5%應(yīng)變下的變形微觀結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的電子背散射衍射（EBSD）KAM圖，后者用于表示材料中晶粒取向的變化；圖3(c)是亮場(chǎng)透射電子顯微鏡（BF-TEM）圖像，展示了應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)孿晶的演變；圖3(d)是高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像，包含了變形孿晶和堆垛層錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些圖像通過(guò)不同的顯微鏡技術(shù)揭示了CrCoNi合金在不同應(yīng)變條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化。

圖3. 制備CrCoNi合金的孿晶和加工硬化特性。

總結(jié)
在本研究中，通過(guò)使用脈沖激光粉末床熔化（LPBF）技術(shù)制造CrCoNi中熵合金，樣品有著卓越室溫屈服強(qiáng)度約800 MPa，同時(shí)保持了37%的大均勻延伸率。與連續(xù)波激光粉末床熔化相比，脈沖激光粉末床熔化產(chǎn)生的額外熱循環(huán)導(dǎo)致了凝固晶體內(nèi)部更高密度的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)不僅增強(qiáng)了CrCoNi合金的屈服強(qiáng)度，還使得整個(gè)塑性變形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的加工硬化和大塑性變形。這些發(fā)現(xiàn)展示了脈沖激光在激光粉末床熔化過(guò)程中的潛力，為設(shè)計(jì)新型增材制造工藝提供了寶貴的見解，并為使用脈沖激光制造其他先進(jìn)合金開辟了新的可能性。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.004