西工大蘇海軍教授團隊：高強共晶高熵合金復合材料激光增材制造新突破
時間：2023-11-23 18:47 來源：材料科學與工程 作者：admin 閱讀：次
第一作者：郭一諾
通訊作者：蘇海軍
通訊單位：西北工業大學深圳研究院；西北工業大學凝固技術國家重點實驗室
來源：材料科學與工程
近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了一種激光粉末床熔融制備新型SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料新方法。室溫拉伸測試結果表明，EHEA復合材料的極限抗拉強度約為1.5 GPa，延伸率為9%，處于目前采用激光增材制造工藝制備先進金屬材料性能的領先水平。同時發現，在較大尺寸的復合材料構件中會出現嚴重的宏觀橫向和縱向裂紋，以及少量微裂紋。研究分析表明，凝固微裂紋是由于長柱狀晶的補液能力有限以及凝固收縮導致的；宏觀裂紋的形成是由試樣邊緣的拉應力積累引起的，微裂紋和孔隙所在的應力集中區是裂紋主要的擴展位置。
研究背景
高熵合金(HEA)自2004年首次提出已發展近二十年，經歷了第一代等原子單相向第二代非等原子多相的轉變。共晶高熵合金(EHEA)是一類極具發展前景的雙相高熵合金，以高強度相和高塑性相交替排列的復合結構實現了強度和塑性的良好匹配，已成為金屬結構材料領域的研究前沿和熱點。此外，第二相增強等傳統的強化手段也逐漸被引入增強單相高熵合金。近年來，采用增材制造技術制備高熵合金的研究發展迅速。研究表明，利用激光增材制造成形元素摻雜或陶瓷顆粒增強高熵合金復合材料，能夠通過多種強化機制協同作用克服強度-塑性平衡。然而，高熵合金復合材料的基體材料主要是FCC結構單相高熵合金，其強度在結構應用方面仍然存在較大的差距。最近，共晶高熵合金良好的激光成形性已被論文作者等多個研究團隊證實。尤其是，激光粉末床熔融成形的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金不僅展現了納米層片結構，還表現出優異的塑性，為硬質顆粒強化提供了良好的基礎。
本文亮點
利用激光粉末床熔融開發新型共晶高熵合金復合材料，有望實現高性能結構材料成分優化、缺陷控制、性能提升的一體化成形，加快推進共晶高熵合金的工程化應用。
圖文解析
開裂行為研究
宏觀裂紋的形成是凝固裂紋和冷裂紋共同作用的結果。首先在凝固后期，大柱狀晶呈現一個狹長的補液通道，熔體中不規則顆粒的存在進一步阻礙熔體補縮；增強顆粒和基體的熱膨脹系數差異使得界面處應力集中，在凝固收縮的作用下誘發微裂紋產生。打印結束后，構件頂端中心區域及底部邊緣區域承受顯著的拉應力；大量孔隙在構件邊緣區域堆積，降低邊緣強度，當邊緣變形量過大時宏觀裂紋產生。
機械性能各向異性
顯微硬度測試和室溫壓縮性能測試表明，復合樣品表現出機械性能的各向異性。當加載方向平行于構建方向(Building direction, BD)，試樣呈現較高的壓縮屈服強度，較低的抗壓強度；當加載方向垂直于構建方向，試樣具有較低的壓縮屈服強度和相對較高的抗壓強度。從力學各向異性的角度來看，試樣屈服強度與抗壓強度呈現相反的趨勢，說明導致不同性能各向異性的主要因素不完全相同。
室溫拉伸性能
拉伸性能測試表明，沉積態EHEA復合材料水平樣品（加載方向垂直于構建方向）的屈服強度、抗拉強度和延展性分別為1147 ± 29 MPa, 1466 ± 26 MPa和9% ± 3%，優于大多數未經后處理的激光增材制造成形先進金屬結構材料性能。與激光粉末床熔融制備的未添加陶瓷顆粒的純EHEA樣品相比，復合材料樣品的延展性明顯降低，這是由于硬質顆粒和微裂紋的存在造成的。此外，試樣強度的增加可能是源自于固溶強化和位錯強化，需要在未來進行更深入的研究。
總結與展望
本文探究了利用激光粉末床熔融制備SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料的可行性，并成功證明了其作為高性能結構材料的潛力。這些發現將為高熵合金復合材料的設計提供理論及技術基礎，使得具有高性能優異成形性的新型高熵合金材料得到快速發展，從而加速推動高熵合金的工程化應用。
課題組簡介
蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復合陶瓷、結構功能一體化復合材料，以及激光增材制造等。主持包括國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表論文160余篇。獲授權中國發明專利50項以及2項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎、陜西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。
引用本文
Yinuo Guo, Haijun Su, Hongliang Gao, Zhonglin Shen, Yuan Liu, Di Zhao, Peixin Yang, Quandong Hu, Zhuo Zhang, Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 163 (2023) 81-91.
通訊作者：蘇海軍
通訊單位：西北工業大學深圳研究院；西北工業大學凝固技術國家重點實驗室
來源：材料科學與工程
近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了一種激光粉末床熔融制備新型SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料新方法。室溫拉伸測試結果表明，EHEA復合材料的極限抗拉強度約為1.5 GPa，延伸率為9%，處于目前采用激光增材制造工藝制備先進金屬材料性能的領先水平。同時發現，在較大尺寸的復合材料構件中會出現嚴重的宏觀橫向和縱向裂紋，以及少量微裂紋。研究分析表明，凝固微裂紋是由于長柱狀晶的補液能力有限以及凝固收縮導致的；宏觀裂紋的形成是由試樣邊緣的拉應力積累引起的，微裂紋和孔隙所在的應力集中區是裂紋主要的擴展位置。
研究背景
高熵合金(HEA)自2004年首次提出已發展近二十年，經歷了第一代等原子單相向第二代非等原子多相的轉變。共晶高熵合金(EHEA)是一類極具發展前景的雙相高熵合金，以高強度相和高塑性相交替排列的復合結構實現了強度和塑性的良好匹配，已成為金屬結構材料領域的研究前沿和熱點。此外，第二相增強等傳統的強化手段也逐漸被引入增強單相高熵合金。近年來，采用增材制造技術制備高熵合金的研究發展迅速。研究表明，利用激光增材制造成形元素摻雜或陶瓷顆粒增強高熵合金復合材料，能夠通過多種強化機制協同作用克服強度-塑性平衡。然而，高熵合金復合材料的基體材料主要是FCC結構單相高熵合金，其強度在結構應用方面仍然存在較大的差距。最近，共晶高熵合金良好的激光成形性已被論文作者等多個研究團隊證實。尤其是，激光粉末床熔融成形的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金不僅展現了納米層片結構，還表現出優異的塑性，為硬質顆粒強化提供了良好的基礎。
本文亮點
利用激光粉末床熔融開發新型共晶高熵合金復合材料，有望實現高性能結構材料成分優化、缺陷控制、性能提升的一體化成形，加快推進共晶高熵合金的工程化應用。
圖文解析
開裂行為研究
宏觀裂紋的形成是凝固裂紋和冷裂紋共同作用的結果。首先在凝固后期，大柱狀晶呈現一個狹長的補液通道，熔體中不規則顆粒的存在進一步阻礙熔體補縮；增強顆粒和基體的熱膨脹系數差異使得界面處應力集中，在凝固收縮的作用下誘發微裂紋產生。打印結束后，構件頂端中心區域及底部邊緣區域承受顯著的拉應力；大量孔隙在構件邊緣區域堆積，降低邊緣強度，當邊緣變形量過大時宏觀裂紋產生。
圖1 開裂區域的EBSD結果: (a) 衍射質量圖; (b) IPF圖; (c) KAM圖; (d) 晶粒對錯配度
圖2 開裂機制示意圖: (a) 凝固裂紋形成傾向; (b) 冷裂紋形成傾向
機械性能各向異性
顯微硬度測試和室溫壓縮性能測試表明，復合樣品表現出機械性能的各向異性。當加載方向平行于構建方向(Building direction, BD)，試樣呈現較高的壓縮屈服強度，較低的抗壓強度；當加載方向垂直于構建方向，試樣具有較低的壓縮屈服強度和相對較高的抗壓強度。從力學各向異性的角度來看，試樣屈服強度與抗壓強度呈現相反的趨勢，說明導致不同性能各向異性的主要因素不完全相同。
圖3 (a) 復合材料在水平和垂直截面上的顯微硬度值; (b) 復合材料沿構建方向和垂直于構建方向的壓縮性能曲線
圖4 復合材料泰勒因子分布圖: (a) 水平截面; (b) 垂直截面
室溫拉伸性能
拉伸性能測試表明，沉積態EHEA復合材料水平樣品（加載方向垂直于構建方向）的屈服強度、抗拉強度和延展性分別為1147 ± 29 MPa, 1466 ± 26 MPa和9% ± 3%，優于大多數未經后處理的激光增材制造成形先進金屬結構材料性能。與激光粉末床熔融制備的未添加陶瓷顆粒的純EHEA樣品相比，復合材料樣品的延展性明顯降低，這是由于硬質顆粒和微裂紋的存在造成的。此外，試樣強度的增加可能是源自于固溶強化和位錯強化，需要在未來進行更深入的研究。
圖5 (a) 復合材料拉伸應力應變曲線; (b) 與激光增材制造成形高熵合金材料的室溫力學性能比較
總結與展望
本文探究了利用激光粉末床熔融制備SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料的可行性，并成功證明了其作為高性能結構材料的潛力。這些發現將為高熵合金復合材料的設計提供理論及技術基礎，使得具有高性能優異成形性的新型高熵合金材料得到快速發展，從而加速推動高熵合金的工程化應用。
課題組簡介
蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復合陶瓷、結構功能一體化復合材料，以及激光增材制造等。主持包括國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表論文160余篇。獲授權中國發明專利50項以及2項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎、陜西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。
引用本文
Yinuo Guo, Haijun Su, Hongliang Gao, Zhonglin Shen, Yuan Liu, Di Zhao, Peixin Yang, Quandong Hu, Zhuo Zhang, Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 163 (2023) 81-91.
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