來源: AMLetters
在開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)的金屬材料時(shí),材料的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡是持續(xù)存在的挑戰(zhàn),。多元高熵合金 (HEA) 的提出擴(kuò)大了開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械,、物理和化學(xué)性能的新材料成分空間。然而,,大多數(shù)HEA使用傳統(tǒng)的鑄造或鍛造工藝制造,,嚴(yán)重限制了復(fù)雜形狀零件及其超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。增材制造 (AM) 在材料加工中獲得了顯著的突出地位,,激光粉末床熔融(LPBF)AM技術(shù)在生產(chǎn)HEA零件時(shí)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)制造工藝壓倒性的優(yōu)勢,該技術(shù)在制造具有超細(xì)晶粒尺寸和高精度的復(fù)雜形狀HEA部件方面具有巨大的潛力,。
由于LPBF過程中的非平衡凝固和熱循環(huán),,在微尺度應(yīng)力誘導(dǎo)開裂方面面臨著重大挑戰(zhàn)。這些條件會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的熱梯度和冷卻速率,,不可避免地會(huì)引起顯著的熱/殘余應(yīng)力并增強(qiáng)熱裂敏感性,。因此,解決這些由熱應(yīng)力引起的有害影響對(duì)LPBF成形HEA 的廣泛應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn),。
現(xiàn)今已提出了各種方法來減輕LPBF成形部件內(nèi)熱循環(huán)引起的微裂紋:I)熱等靜壓使成形的金屬部件致密化并減少微裂紋和孔隙的出現(xiàn),。但不能完全消除表面裂紋,期間的高溫會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化,,從而損害金屬部件的強(qiáng)度,。II)優(yōu)化LPBF成形參數(shù)以減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并最大限度地減少微尺度裂紋,但仍未取得令人滿意的結(jié)果,。III) 修改某些合金的化學(xué)成分,,以調(diào)整凝固路徑。例如,,在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量,,通過減少臨界凝固和抑制極端熱循環(huán)期間金屬間化合物的形成,顯著增強(qiáng)了抗熱裂性。然而,,該技術(shù)目前僅限于狹窄范圍的合金系統(tǒng),,因此,迫切需要更有效的方法來解決LPBF成形合金中應(yīng)力引起的開裂問題,。
LPBF快速凝固過程中微裂紋的成核和擴(kuò)展可被視為熱應(yīng)力的能量耗散機(jī)制,。在此背景下,中南大學(xué)李瑞迪教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法,,通過調(diào)節(jié)堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 來減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并抑制LPBF加工過程中合金微裂紋的形成,。在本研究中,選擇了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作為基礎(chǔ)材料,,其中摻雜了約 2.4 at.% 的Al來控制SFE值并驗(yàn)證了提出的方法,。一方面,Al的重量輕且成本低廉,,有利于有效改變各種合金系統(tǒng)中的SFE,。另一方面,與 Fe,、Co,、Cr 和Ni原子相比,由于Al的原子半徑較大,,添加Al會(huì)增加晶格摩擦并提高合金的強(qiáng)度,。兩種合金的SFE值均通過透射電子顯微鏡 (TEM) 表征和密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算確定。與不含Al的HEA相比,,在Al摻雜的HEA中觀察到微裂紋顯著減少,。此外,降低成形HEA的SFE也提高了抗疲勞性,。這項(xiàng)研究為通過激光增材制造工藝操縱SFE來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無裂紋金屬零件提供了寶貴的見解,。
文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160
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圖1. a) LPBF 成形 HEA 懸臂部件示意圖。b,、c) 分別使用 X-CT和EBSD 在無Al HEA 中產(chǎn)生的微裂紋缺陷,;d) 使用三維方法測量成形的無 Al HEA 懸臂部件的變形。e,、f) 分別使用 X-CT 和 EBSD 表征具有低SFE(堆垛層錯(cuò)能)的無裂紋 Al0.1FeCoCrNi HEA,。g) 摻雜Al的HEA懸臂部件變形結(jié)果。
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圖2. LPBF 成形的無Al和摻雜Al的HEA 微觀結(jié)構(gòu)和SFE計(jì)算,。a,、b) 和 d、e) [110] 晶帶軸區(qū)域的明場 (BF)-STEM 圖像分別顯示無Al和摻雜Al的HEA 的大量位錯(cuò),。c,、f) 在 1.5% 的應(yīng)變下,,無Al和摻雜Al的HEA 樣品中分離位錯(cuò)的弱束暗場 (WBDF) 圖像。g) 圖 2c,、f 中測量的分離位錯(cuò)的部分分離距離,,以及對(duì)應(yīng)于不同值的理論堆垛層錯(cuò)能量曲線。h) 用于DFT計(jì)算的FeCoCrNi 和Al0.1CoCrFeNi HEA的FCC超晶胞,。i) FeCoCrNi 和 Al0.1CoCrFeNi HEA 沿 [112] 方向的基面GSFE 曲線,。
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圖3. LPBF成形的無Al和摻雜Al的HEA殘余應(yīng)力和原子應(yīng)變場分析。a) 通過 X 射線衍射測量的等原子 FeCoCrNi 殘余應(yīng)力,。b) 兩種 HEA 的表面殘余應(yīng)力,。c,d) 微觀結(jié)構(gòu)特征圖分別說明了 HEA 中微觀殘余應(yīng)力的減小。e,i) 從透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 圖,,揭示了亞微米級(jí)應(yīng)變分布,。f–h,j–l) 基于近 [110] 區(qū)域軸的 HR-HAADF 圖像以及相應(yīng)的水平法向應(yīng)變 εxx g,k) 和剪切應(yīng)變 εxy h,l) 圖。
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圖4. LPBF成形的FeCoCrNi和Al0.1CoCrFeNi HEA 在其斷裂區(qū)域附近的力學(xué)性能和變形微觀結(jié)構(gòu),。a) 通過不同方法制造的HEA工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。b) 通過數(shù)字圖像相關(guān) (DIC) 檢測到的LPBF成形HEA摻雜Al的代表性應(yīng)變分配,以及變形過程中Lüders帶的形成,。c,f) 分別為無Al和HEA摻雜Al的反極圖 (IPF) ,。d,g) 分別為HEA 的 BF-STEM 圖像,顯示存在高密度位錯(cuò)纏結(jié),、堆垛層錯(cuò)和變形孿晶,。e,h) 分別為兩個(gè)變形 HEA 的 SAED 圖。i,j) 典型孿晶和 HCP 馬氏體的暗場圖像,。k) 多層 HCP 結(jié)構(gòu)的原子級(jí) HR-STEM 圖像,。
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圖5. LPBF成形HEA的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果和裂紋擴(kuò)展特征。a) 疲勞裂紋擴(kuò)展速率 (da/dN) 與應(yīng)力強(qiáng)度因子 (ΔK) 曲線,。b) 具有不同 Al 含量的 HEA 的裂紋長度與加載循環(huán) (N) 曲線。IPF 圖與相應(yīng)的ECC圖像顯示了 c–f) 無 Al 和 g–j) Al 摻雜 HEA 中近裂紋尖端區(qū)域內(nèi)裂紋擴(kuò)展的特征,。
主要結(jié)論
本研究提出了一種新方法,,通過策略性地操縱SFE來減輕LPBF生產(chǎn)的HEA部件中熱應(yīng)力引起的微裂紋。通過在FeNiCoCr 中引入約2.4 at.%的少量Al摻雜,,成功使用LPBF制造了無裂紋的HEA部件,。此外,與不含Al的HEA相比,,摻雜Al的HEA表現(xiàn)出更好的機(jī)械強(qiáng)度和延展性,。通過TEM和第一性原理計(jì)算,證實(shí)了添加Al降低了 FeNiCoCr HEA 的SFE值,。因此,,在成形的無Al HEA中觀察到的由密集位錯(cuò)墻組成的典型胞狀結(jié)構(gòu)在Al摻雜后轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒎植嫉奈诲e(cuò)。此外,降低的SFE增強(qiáng)了該合金系統(tǒng)對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗力,,從而提高了LPBF成形金屬部件在工業(yè)應(yīng)用中的抗疲勞性,。這項(xiàng)工作為開發(fā)具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用和無裂紋特性的增材制造合金提供了寶貴的見解。
作者簡介
李瑞迪,,中南大學(xué)教授,,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:高性能結(jié)構(gòu)件的激光增材制造/熱壓燒結(jié)技術(shù),。主持國家自然科學(xué)基金(聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目,、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目),、中船重工,、中車工業(yè)等科研項(xiàng)目。第一/通訊作者在Advanced Materials, Acta Materialia, Scripta Materialia, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Additive Manufacturing, Journal of Materials Science and Technology等期刊發(fā)表SCI論文80余篇,,其中ESI高被引6篇,、ESI熱點(diǎn)論文1篇,獲授權(quán)發(fā)明專利20件,。兼任中國材料研究學(xué)會(huì)難熔金屬分會(huì)副主任委員,、中國有色金屬學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員、中國材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)理事,,中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)分會(huì)委員,、中國光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專業(yè)委員會(huì)委員、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)委員,、全國鋼標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)增材制造工作組委員,。兼任《Advanced Powder Materials》編委、《粉末冶金材料科學(xué)與工程》編委,、《粉末冶金工業(yè)》編委,、《精密成型工程》編委、《軌道交通材料》編委,、《鑄造技術(shù)》青年編委,、《中國激光》“前沿激光制造”子刊青年編委。擔(dān)任《Journal of Central South University》“粉末冶金與增材制造”�,?妥骶�,、《中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》“粉末冶金”專刊客座編輯,。入選教育部“長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”青年學(xué)者,,湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,湖南省杰出青年科學(xué)基金,,湖湘青年英才,,《全球?qū)W者庫》2021全球頂尖前十萬科學(xué)家,。獲中國有色金屬青年科技獎(jiǎng),湖南省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(排1),,中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)(排1),。
個(gè)人資料來源:https://faculty.csu.edu.cn/liruidi/zh_CN/index.htm
甘科夫,中南大學(xué)副教授,,碩士研究生導(dǎo)師,,2019年底加入中南大學(xué)材料學(xué)院李志明教授“先進(jìn)多主元合金”團(tuán)隊(duì)。研究方向包括(1)以多尺度力學(xué)(包括宏觀力學(xué)及微納米力學(xué))表征為媒介,,結(jié)合位錯(cuò)動(dòng)力學(xué),、分子動(dòng)力學(xué)模擬,探究金屬材料的小尺度力學(xué)性能,。近幾年針對(duì)微納尺度的合金界面(包括晶界,、共格相界面、非晶-晶體復(fù)合界面等),、析出,、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等,開展了大量力學(xué)研究,,揭示了各類微觀組織在合金多尺度力學(xué)行為中發(fā)揮的作用,,對(duì)金屬材料基于結(jié)構(gòu)調(diào)控的強(qiáng)塑性優(yōu)化提供了有力的理論支持;(2)面向極端服役條件的先進(jìn)合金(包括高熵合金,、非晶合金及其復(fù)合材料)的設(shè)計(jì),、制造(包括傳統(tǒng)鑄造及機(jī)械熱加工、先進(jìn)增材制造技術(shù))及強(qiáng)韌化研究,。相關(guān)成果發(fā)表SCI論文50余篇,,包括以第一作者或通訊作者在金屬材料頂刊Acta Materialia、Advanced Materials,,固體力學(xué)頂刊 Journal of the Mechanics and Physics of Solids,、International Journal of Plasticity等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文。
個(gè)人資料來源:https://faculty.csu.edu.cn/gankefu/zh_CN/index.htm
韓昌駿,,華南理工大學(xué)副教授,,博士生導(dǎo)師。2013年9月和2018年3月分別獲得華中科技大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位,,2018年7月至2020年12月在新加坡南洋理工大學(xué)國家3D成形中心從事博士后研究,,2021年1月引進(jìn)華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院工作,。入選中國科協(xié)青年人才托舉工程,、廣州市青年科技人才托舉工程,。主持主持國家自然科學(xué)基金青年基金,、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題,、裝備預(yù)研領(lǐng)域基金等課題近10項(xiàng),,獲2021年第一屆全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)(排1),、2023年機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、廣州科技創(chuàng)新南山獎(jiǎng)(青年科技人才獎(jiǎng)),。長期從事金屬增材制造研究,,重點(diǎn)圍繞高性能醫(yī)用金屬增材制造、仿生結(jié)構(gòu)/超材料設(shè)計(jì)與增材制造,、多功能金屬材料增材制造,、多能量場增材制造技術(shù)等方面開展基礎(chǔ)研究。以第一作者/通訊作者在Adv. Mater., Addit. Manuf., Int. J. Mach. Tool. Manu.等國際期刊發(fā)表論文32篇(SCI共30篇,,其中ESI高被引3篇,,10篇影響因子>10),Google Scholar引用超3300次,。申請發(fā)明專利20余項(xiàng),,撰寫/參編英文專著各1部,參編中文專著2部,,參與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng),。入選2022年、2023年斯坦福大學(xué)發(fā)布的最具影響力科學(xué)家前2%名單,。
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