IJP：增材制造的TiNbTaZrMo難熔高熵合金的變形機(jī)制胞狀結(jié)構(gòu)的作用
時(shí)間：2024-06-14 09:32 來源：多尺度力學(xué) 作者：admin 閱讀：次
圖1.
L-PBF制備的TNTZM的典型微觀結(jié)構(gòu)。a，不同長(zhǎng)度尺度的胞狀層次結(jié)構(gòu)示意圖。b，已構(gòu)建的TNTZM樣品的EBSD
IPF圖顯示晶粒方向。c，大范圍內(nèi)胞狀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。d，顯示晶界和胞壁的(BF)
TEM圖像。e，胞狀結(jié)構(gòu)的TEM圖像和包含胞壁和內(nèi)部區(qū)域的選定區(qū)域電子衍射(SAED)圖案。f，HADDF
STEM圖像顯示元素偏析，并附有相應(yīng)的成分圖以確認(rèn)偏析。g，基體中位錯(cuò)的DF TEM圖像。h,
h的放大圖像。i，胞壁。j、i的像差校正后的STEM圖像。
胞狀結(jié)構(gòu)在TNTZM中非常常見，并且占非常高的體積分?jǐn)?shù)。掃描電鏡圖像顯示了胞狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布范圍。大多數(shù)胞狀結(jié)構(gòu)是等軸的，少數(shù)呈板條形狀，尺寸都小于1µm。胞壁的特定厚度從40到70nm不等，而晶界是將一個(gè)晶粒與另一個(gè)晶粒分開的外部輪廓。SAED圖顯示為標(biāo)準(zhǔn)的單一BCC結(jié)構(gòu)，沒有明顯的衍射斑點(diǎn)，表明胞壁和內(nèi)部具有相同的BCC結(jié)構(gòu)，排除了胞壁為第二相的可能性。雖然類似的胞狀結(jié)構(gòu)在鋁基、鈷基合金和鐵基合金中經(jīng)常被報(bào)道，這些合金中的胞狀結(jié)構(gòu)由第二相形成；這種現(xiàn)象不同于元素偏析產(chǎn)生的TNTZM，盡管它們的形態(tài)相似。這種由第二相形成的胞狀結(jié)構(gòu)在變形過程中容易在胞狀區(qū)引發(fā)裂紋，損害塑性。
增材制造過程中的快速冷卻導(dǎo)致TNTZM中的殘余應(yīng)力和基體中的位錯(cuò)數(shù)量增加。考慮到多主元合金的特性，基體的晶格畸變較大，相對(duì)容易產(chǎn)生較強(qiáng)的釘住效應(yīng)。這些原始位錯(cuò)顯然不受胞壁的影響，在胞內(nèi)隨機(jī)而均勻地分布。因此，在TNTZM中觀察到的胞狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為元素偏析。
在AM制造的合金中觀察到胞狀結(jié)構(gòu)，但胞狀結(jié)構(gòu)的起源仍然是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題。這被認(rèn)為與增材制造的快速凝固過程有著復(fù)雜的聯(lián)系。前人對(duì)胞狀結(jié)構(gòu)的研究主要集中在不銹鋼和具有FCC晶體結(jié)構(gòu)的HEAs上。這些合金的凝固模型可能不適合解釋胞狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，因?yàn)樵谥圃爝^程中發(fā)生了相變的附加因素。此外，孿晶作為一種亞晶結(jié)構(gòu)，在不銹鋼和HEAs中經(jīng)常出現(xiàn)，這對(duì)解釋胞狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
圖2.胞狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及形態(tài)演化示意圖。a、晶粒形核。b、晶粒生長(zhǎng)。c、凝固的晶粒。d、單個(gè)晶粒的胞狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。e，晶界處的胞狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。f，制造后的胞狀結(jié)構(gòu)分布。
圖2系統(tǒng)地展示了TNTZM中等軸狀和板條狀胞狀結(jié)構(gòu)分布的形成過程。在激光掃描過程中，機(jī)械合金粉末熔化后形成熔池。事實(shí)上，瞬時(shí)高能量輸入導(dǎo)致了溫度梯度(G)，促進(jìn)了Marangoni效應(yīng)的發(fā)生。這種現(xiàn)象導(dǎo)致熔池內(nèi)復(fù)雜的流體對(duì)流，這被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致顆粒分布的重新配置。當(dāng)溫度達(dá)到液相時(shí)，由于過冷和能量波動(dòng)，第一批TNTZM在熔池底部成核，溫度梯度為正(圖2a)。TNTZM的固相界面經(jīng)歷過冷、向熔池遷移、晶粒不斷長(zhǎng)大的過程(圖2b)。晶粒與其他晶粒接觸后停止生長(zhǎng)，完成凝固(圖2c)。在單個(gè)晶粒內(nèi)，晶粒內(nèi)部的分解與發(fā)生在晶界附近的分解不同。在晶粒內(nèi)部，TNTZM的分解受熱效應(yīng)和元素間相互作用的雙重影響。這可能導(dǎo)致Ti和Ta-Nb元素的分離形成胞狀結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這種分解過程在局部空間中是無方向性的。因此，形成了具有等軸形狀的胞狀結(jié)構(gòu)(圖2d)。然而，與晶粒內(nèi)部相比，固溶元素對(duì)晶界的吸引力更強(qiáng)。此外，被排除在外的Ti原子被吸引并傾向于在晶界處聚集。在晶界的影響下，形成等軸胞狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過伸長(zhǎng)并轉(zhuǎn)變成板條狀的胞狀結(jié)構(gòu)。因此，在AM制備的RHEA的情況下，胞狀晶粒內(nèi)部的形貌為等軸形狀，而晶界兩側(cè)的胞狀結(jié)構(gòu)形態(tài)為板條形狀。
圖3. 不同應(yīng)變水平下TNTZM胞狀結(jié)構(gòu)的變形結(jié)構(gòu)。a,
b，胞狀結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)分布。a，胞狀結(jié)構(gòu)的HADDF圖像。b, a的DF圖像，c, d，在~
10%應(yīng)變下具有代表性的變形組織。c、變形后的胞狀結(jié)構(gòu)HADDF圖像。結(jié)構(gòu)的形狀和大小幾乎沒有改變。d,
c的DF圖像，顯示兩種不同類型的位錯(cuò)。在d1區(qū)，紅色箭頭所示的位錯(cuò)堆積在胞壁附近。在d2區(qū)域，紅色箭頭表示的位錯(cuò)被胞壁吸收。e-f， ~
45%應(yīng)變時(shí)的變形組織。e、變形后的胞狀結(jié)構(gòu)HADDF圖像。結(jié)構(gòu)的形狀和大小明顯改變。f,
e的DF圖像，顯示許多位錯(cuò)被吸收并儲(chǔ)存在胞壁中。g，隨應(yīng)力增加胞壁對(duì)位錯(cuò)影響的示意圖，表明胞壁首先阻礙隨后的吸收。
本研究利用L-PBF制備了分層胞狀結(jié)構(gòu)TNTZM RHEA，產(chǎn)生了獨(dú)特的力學(xué)性能和變形機(jī)制。這項(xiàng)工作證明了增材制造技術(shù)可以提高RHEA的延展性，為分層結(jié)構(gòu)的RHEAs奠定了新的技術(shù)基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：
1.TNTZM具有優(yōu)異的延展性，超過了其他RHEA材料，同時(shí)也達(dá)到了904 MPa的屈服強(qiáng)度。這些優(yōu)異的性能源于層次上不均勻的微觀組織的綜合作用，包括位錯(cuò)、凝固胞狀組織和晶界。
2. 通過增材制造引入胞狀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度和延性顯著協(xié)同作用的有效方法。已經(jīng)觀察到胞壁在初始階段阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，有效提高了TNTZM的屈服強(qiáng)度。此外，隨著位錯(cuò)密度的增加，胞壁的作用從阻礙位錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)槲蘸蛢?chǔ)存位錯(cuò)。這種儲(chǔ)存在胞壁中的位錯(cuò)行為有效地防止了應(yīng)變破裂，促進(jìn)了更均勻的晶粒變形，可以有效地提高塑性。
3. TNTZM的主要變形機(jī)制是位錯(cuò)滑移，滑移發(fā)生在單個(gè)或多個(gè)胞狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，胞狀結(jié)構(gòu)使單個(gè)晶粒內(nèi)的位錯(cuò)滑移更加均勻。
相關(guān)研究成果以“Deformation mechanisms of additively manufactured TiNbTaZrMo refractory high-entropy alloy: The role of cellular structure”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity（Volume: 173 ,2024,103884）上，論文第一作者為Changxi Liu，通訊作者為L(zhǎng)ai-Chang Zhang和Liqiang Wang。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103884
(責(zé)任編輯：admin)
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