通過(guò)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(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)更為明顯,。在制造過(guò)程中通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)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(kāi)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(guò)程,，從而增強(qiáng)增材制造過(guò)程中的熔池對(duì)流并抑制柱狀晶體生長(zhǎng),，最終通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程進(jìn)行連續(xù)拍攝,，結(jié)果如圖2(a)-(c)所示。通過(guò)對(duì)熔池的激光沖擊過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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.