中南大學《JMST》：增材制造中熵合金，寬溫度范圍內具有優越力學性能
時間：2024-05-29 09:09 來源：材料學網 作者：admin 閱讀：次
導讀：現代工程長期以來一直需要用于惡劣工作條件的高性能增材制造材料。高熵合金(HEA)、中熵合金(MEA)和多主元合金(MPEA)的思想為合金設計提供了新的思路。在這項工作中，我們開發了Co42Cr20Ni30Ti4Al4五元MEA，該MEA通過選擇性激光熔化(SLM)和后熱處理在77至873
K的寬溫度范圍內表現出優越的機械性能。該材料在298 K時的極限拉伸強度為1586 MPa，總伸長率為22.7%;在77
K時的極限拉伸強度為1944 MPa，總伸長率為22.6%;在873 K時的極限拉伸強度為1147
MPa，總伸長率為9.1%。優異的力學性能源于再結晶和析出同時產生的由部分細化晶粒和非均勻析出的L12相組成的組織。晶界硬化、析出硬化和位錯硬化是導致298和77
K高YS的主要原因。納米間距層錯(SFs)包括SFs網絡、L12相剪切引起的lmer -
cottrell鎖(L-C鎖)和反相邊界(APBs)的相互作用是導致77
K下高應變硬化率和塑性的主要原因。我們的工作為沉淀硬化和增材制造技術的結合提供了新的見解，為高性能結構材料的發展鋪平了道路。
高性能合金是現代工程應用的關鍵，高熵合金、中熵合金和多主元素合金為強度和延展性的進一步提升提供了新的途徑。采用沉淀強化方法可有效增強合金性能，特別是L12相強化的合金表現出優異的機械性能和熱穩定性。CoCrNi合金在室溫和低溫下具有出色的強度和延展性，適合作為沉淀強化的理想基體。調節合金成分可進一步優化其機械性能，尤其是對于含有Ti/Al的合金，降低Cr含量有助于減少有害相的形成。
相比于傳統的鑄造合金制備方法，添加制造（AM）展示了幾個優點，如設計和制造金屬構件時幾何自由度高、與傳統制造方法相比后處理過程中原材料損失大大減少以及隨之而來的節省時間、能源和成本。此外，AM方法的高能量輸入和高冷卻速率可以抑制相變和金屬間化合物的形成，同時也導致細微的微觀結構，使其成為多主元素合金（MPEAs）的潛在制備途徑。
其中，選擇性激光熔化（SLM）作為最重要的AM技術之一，在高熵合金（HEAs）的研究中得到了廣泛應用。研究表明，SLM方法帶來的細晶結構、細胞結構和位錯有利于提高HEAs的強度。SLM的高冷卻速率也有利于形成單一的FCC結構，并且引入了由替位和間隙固溶質原子引起的固溶強化。一些研究報告了通過在SLM過程中引入碳等元素，同時改善了HEA的強度和延展性。此外，通過引入諸如氮等間隙原子，還可以進一步引發SLMed HEAs中的應變硬化機制。對于共晶HEA，SLM還可以細化共晶結構。此外，引入納米二次相也是SLMed HEAs中可行的。
這項研究通過選擇性激光熔化和后續熱處理制備了一種非等原子比的Co42Cr20Ni30Ti4Al4五元高熵合金（MEA），在廣泛的溫度范圍（從77到873 K）內展現出優越的機械性能。該合金同時引入了高體積分數的異質沉淀的L12相和部分再結晶的FCC基體，而沒有其他有害相。通過對微觀結構的觀察，研究和討論了強化和變形機制。在這項工作中，中南大學劉勇教授團隊為AMed L12強化合金的開發提供了見解，并且表明，通過合適的元素設計和熱處理的組合，增材制造可能是一種有前景的高性能結構材料加工技術。
相關研究成果以“An additively manufactured precipitation hardening medium entropy alloy with excellent strength-ductility synergy over a wide temperature range”發表在Journal of Material Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 24003888?via%3Dihub
高性能合金是現代工程應用的關鍵，高熵合金、中熵合金和多主元素合金為強度和延展性的進一步提升提供了新的途徑。采用沉淀強化方法可有效增強合金性能，特別是L12相強化的合金表現出優異的機械性能和熱穩定性。CoCrNi合金在室溫和低溫下具有出色的強度和延展性，適合作為沉淀強化的理想基體。調節合金成分可進一步優化其機械性能，尤其是對于含有Ti/Al的合金，降低Cr含量有助于減少有害相的形成。
相比于傳統的鑄造合金制備方法，添加制造（AM）展示了幾個優點，如設計和制造金屬構件時幾何自由度高、與傳統制造方法相比后處理過程中原材料損失大大減少以及隨之而來的節省時間、能源和成本。此外，AM方法的高能量輸入和高冷卻速率可以抑制相變和金屬間化合物的形成，同時也導致細微的微觀結構，使其成為多主元素合金（MPEAs）的潛在制備途徑。
其中，選擇性激光熔化（SLM）作為最重要的AM技術之一，在高熵合金（HEAs）的研究中得到了廣泛應用。研究表明，SLM方法帶來的細晶結構、細胞結構和位錯有利于提高HEAs的強度。SLM的高冷卻速率也有利于形成單一的FCC結構，并且引入了由替位和間隙固溶質原子引起的固溶強化。一些研究報告了通過在SLM過程中引入碳等元素，同時改善了HEA的強度和延展性。此外，通過引入諸如氮等間隙原子，還可以進一步引發SLMed HEAs中的應變硬化機制。對于共晶HEA，SLM還可以細化共晶結構。此外，引入納米二次相也是SLMed HEAs中可行的。
這項研究通過選擇性激光熔化和后續熱處理制備了一種非等原子比的Co42Cr20Ni30Ti4Al4五元高熵合金（MEA），在廣泛的溫度范圍（從77到873 K）內展現出優越的機械性能。該合金同時引入了高體積分數的異質沉淀的L12相和部分再結晶的FCC基體，而沒有其他有害相。通過對微觀結構的觀察，研究和討論了強化和變形機制。在這項工作中，中南大學劉勇教授團隊為AMed L12強化合金的開發提供了見解，并且表明，通過合適的元素設計和熱處理的組合，增材制造可能是一種有前景的高性能結構材料加工技術。
相關研究成果以“An additively manufactured precipitation hardening medium entropy alloy with excellent strength-ductility synergy over a wide temperature range”發表在Journal of Material Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 24003888?via%3Dihub
圖1所示。(a)預合金粉末的形貌。(b)預合金粉末粒度分布圖。(c) SLM過程的示意圖。(d)鑄態和退火態合金的XRD圖譜。
圖2所示。制備后和退火后合金組織的EBSD結果(步長= 0.2
μm)。分別為成形合金的XY平面(a, e)、成形合金的XZ平面(b, f)、退火合金的XY平面(c, g)和XZ平面(d,
h)的逆極圖(IPF)和晶粒參考取向偏差(GROD)圖(e - h)。
圖3所示。制備和退火合金在XY平面上的顯微組織的BSE (back scatter
electron)觀察。(a)鑄態合金具有均勻的胞狀結構。(b)退火合金在晶界附近呈現DP。(c)退火合金晶粒內部區域的放大圖，顯示出細小的不連續析出物。(d)退火合金中新形成的再結晶晶粒中的DP。(e)退火合金中退火孿晶的DP。(f)退火合金中細胞結構未損壞但無明顯析出物的區域。
圖4所示。鑄態合金的TEM觀察。(a)建成后微觀結構的TEM BF圖像，顯示細胞結構。(b) TEM雙束BF圖像顯示由位錯組成的細胞邊界。(c) LAADF-STEM圖像和相應的合金細胞結構的STEM-EDS圖。
圖5所示。退火合金中DP區的TEM和STEM觀察。(a) DP區域的TEM
BF圖像及其對應的SAED模式。(b)與(a)對應的TEM DF圖像顯示不連續L12析出物的形貌。(c)
DP區域的TEM雙波束BF圖像，顯示細胞邊界湮滅的痕跡。(d)
DP區域的HAADF-STEM圖像，顯示了不連續L12沉淀的形態和分布。(e)對應(d)的STEM-EDS結果顯示沿細胞輪廓富集Ni、Ti和Al。
圖6所示。HAADF-STEM圖像和相應的放大倍數更高的DP區域的STEM-EDS映射。
圖7所示。退火合金中CP區的TEM和STEM觀察。(a)退火合金CP區的TEM雙束BF圖像，顯示由位錯組成的完整的胞狀邊界。(b)與(a)中紅色虛線矩形對應的TEM
DF圖像，顯示連續L12析出物的形態和分布。(c)
CP區域的LAADF-STEM圖像顯示由位錯組成的完整細胞邊界。(d)與(c)對應的STEM-EDS顯示沿細胞邊界富集Ni、Ti和Al。(e)細胞內區域的STEM圖像和STEM-
eds結果，用(c)中的方形表示。(f)細胞間區域的STEM圖像和STEM- eds結果，用(c)中的圓形表示。
圖8所示。(a)不連續沉淀物的HR-TEM圖像，FFT模式對應于標記為1和2的區域。(b)連續沉淀的HR-TEM圖像，FFT模式對應于標記為3和4的區域。
(責任編輯：admin)
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