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

來源： 高能束加工技術(shù)及應(yīng)用

來自南洋理工大學(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,，進一步提高 CrCoNi 在室溫下的屈服強度仍然具有挑戰(zhàn)性。盡管CrCoNi合金在室溫下具有較好的韌性,，但其屈服強度并不高于傳統(tǒng)高強度合金,。傳統(tǒng)制造方法所制備的CrCoNi合金屈服強度通常在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)生高密度位錯和超細凝固結(jié)構(gòu)，LPBF技術(shù)有提高CrCoNi合金強度的潛力,，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）機器,，配備了200W 的SPI光纖激光源,，以脈沖模式（頻率 1000 kHz，脈沖時間 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,，通過分子動力學(xué)模擬研究了制造過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變,，并通過SHIMADZU AG-X plus機器進行拉伸測試評估了樣品的機械性能。為了對比,，還使用商業(yè)LPBF機器（EOS M290）和不同比例的鎢（W）粉末進行了額外實驗,，以研究脈沖激光對微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響，以及對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)激光器的對比示意圖,。圖1(c)展示了從橫截面看樣品在不同長度尺度上的顯微結(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合金的屈服強度與均勻伸長率間的區(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)是一個亮場透射電子顯微鏡（BF-TEM）圖像,，插入了選區(qū)電子衍射（SAED）圖案,，顯示了應(yīng)變達到2%前變形孿晶的激活；圖3(b)是一個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)是亮場透射電子顯微鏡（BF-TEM）圖像,，展示了應(yīng)變達到20%時孿晶的演變,；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的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。這些圖像通過不同的顯微鏡技術(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度約800 MPa，同時保持了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，這些位錯不僅增強了CrCoNi合金的屈服強度,，還使得整個塑性變形過程中實現(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程中的潛力,，為設(shè)計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合金開辟了新的可能性。

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