中南大學(xué)《JMST》：增材制造中熵合金，寬溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)越力學(xué)性能
時(shí)間：2024-05-29 09:09 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：現(xiàn)代工程長(zhǎng)期以來(lái)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(shè)計(jì)提供了新的思路。在這項(xiàng)工作中，我們開發(fā)了Co42Cr20Ni30Ti4Al4五元MEA，該MEA通過(guò)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(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械性能。該材料在298 K時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度為1586 MPa，總伸長(zhǎng)率為22.7%;在77
K時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度為1944 MPa，總伸長(zhǎng)率為22.6%;在873 K時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度為1147
MPa，總伸長(zhǎng)率為9.1%。優(yōu)異的力學(xué)性能源于再結(jié)晶和析出同時(shí)產(chǎn)生的由部分細(xì)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(cuò)硬化是導(dǎo)致298和77
K高YS的主要原因。納米間距層錯(cuò)(SFs)包括SFs網(wǎng)絡(luò)、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(dǎo)致77
K下高應(yīng)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(shù)的結(jié)合提供了新的見解，為高性能結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展鋪平了道路。
高性能合金是現(xiàn)代工程應(yīng)用的關(guān)鍵，高熵合金、中熵合金和多主元素合金為強(qiáng)度和延展性的進(jìn)一步提升提供了新的途徑。采用沉淀強(qiáng)化方法可有效增強(qiáng)合金性能，特別是L12相強(qiáng)化的合金表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。CoCrNi合金在室溫和低溫下具有出色的強(qiáng)度和延展性，適合作為沉淀強(qiáng)化的理想基體。調(diào)節(jié)合金成分可進(jìn)一步優(yōu)化其機(jī)械性能，尤其是對(duì)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(tǒng)的鑄造合金制備方法，添加制造（AM）展示了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)和制造金屬構(gòu)件時(shí)幾何自由度高、與傳統(tǒng)制造方法相比后處理過(guò)程中原材料損失大大減少以及隨之而來(lái)的節(jié)省時(shí)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(shí)也導(dǎo)致細(xì)微的微觀結(jié)構(gòu)，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(shù)之一，在高熵合金（HEAs）的研究中得到了廣泛應(yīng)用。研究表明，SLM方法帶來(lái)的細(xì)晶結(jié)構(gòu)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)有利于提高HEAs的強(qiáng)度。SLM的高冷卻速率也有利于形成單一的FCC結(jié)構(gòu)，并且引入了由替位和間隙固溶質(zhì)原子引起的固溶強(qiáng)化。一些研究報(bào)告了通過(guò)在SLM過(guò)程中引入碳等元素，同時(shí)改善了HEA的強(qiáng)度和延展性。此外，通過(guò)引入諸如氮等間隙原子，還可以進(jìn)一步引發(fā)SLMed HEAs中的應(yīng)變硬化機(jī)制。對(duì)于共晶HEA，SLM還可以細(xì)化共晶結(jié)構(gòu)。此外，引入納米二次相也是SLMed HEAs中可行的。
這項(xiàng)研究通過(guò)選擇性激光熔化和后續(xù)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(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械性能。該合金同時(shí)引入了高體積分?jǐn)?shù)的異質(zhì)沉淀的L12相和部分再結(jié)晶的FCC基體，而沒(méi)有其他有害相。通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的觀察，研究和討論了強(qiáng)化和變形機(jī)制。在這項(xiàng)工作中，中南大學(xué)劉勇教授團(tuán)隊(duì)為AMed L12強(qiáng)化合金的開發(fā)提供了見解，并且表明，通過(guò)合適的元素設(shè)計(jì)和熱處理的組合，增材制造可能是一種有前景的高性能結(jié)構(gòu)材料加工技術(shù)。
相關(guān)研究成果以“An additively manufactured precipitation hardening medium entropy alloy with excellent strength-ductility synergy over a wide temperature range”發(fā)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(xiàn)代工程應(yīng)用的關(guān)鍵，高熵合金、中熵合金和多主元素合金為強(qiáng)度和延展性的進(jìn)一步提升提供了新的途徑。采用沉淀強(qiáng)化方法可有效增強(qiáng)合金性能，特別是L12相強(qiáng)化的合金表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。CoCrNi合金在室溫和低溫下具有出色的強(qiáng)度和延展性，適合作為沉淀強(qiáng)化的理想基體。調(diào)節(jié)合金成分可進(jìn)一步優(yōu)化其機(jī)械性能，尤其是對(duì)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(tǒng)的鑄造合金制備方法，添加制造（AM）展示了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)和制造金屬構(gòu)件時(shí)幾何自由度高、與傳統(tǒng)制造方法相比后處理過(guò)程中原材料損失大大減少以及隨之而來(lái)的節(jié)省時(shí)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(shí)也導(dǎo)致細(xì)微的微觀結(jié)構(gòu)，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(shù)之一，在高熵合金（HEAs）的研究中得到了廣泛應(yīng)用。研究表明，SLM方法帶來(lái)的細(xì)晶結(jié)構(gòu)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)有利于提高HEAs的強(qiáng)度。SLM的高冷卻速率也有利于形成單一的FCC結(jié)構(gòu)，并且引入了由替位和間隙固溶質(zhì)原子引起的固溶強(qiáng)化。一些研究報(bào)告了通過(guò)在SLM過(guò)程中引入碳等元素，同時(shí)改善了HEA的強(qiáng)度和延展性。此外，通過(guò)引入諸如氮等間隙原子，還可以進(jìn)一步引發(fā)SLMed HEAs中的應(yīng)變硬化機(jī)制。對(duì)于共晶HEA，SLM還可以細(xì)化共晶結(jié)構(gòu)。此外，引入納米二次相也是SLMed HEAs中可行的。
這項(xiàng)研究通過(guò)選擇性激光熔化和后續(xù)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(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械性能。該合金同時(shí)引入了高體積分?jǐn)?shù)的異質(zhì)沉淀的L12相和部分再結(jié)晶的FCC基體，而沒(méi)有其他有害相。通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的觀察，研究和討論了強(qiáng)化和變形機(jī)制。在這項(xiàng)工作中，中南大學(xué)劉勇教授團(tuán)隊(duì)為AMed L12強(qiáng)化合金的開發(fā)提供了見解，并且表明，通過(guò)合適的元素設(shè)計(jì)和熱處理的組合，增材制造可能是一種有前景的高性能結(jié)構(gòu)材料加工技術(shù)。
相關(guān)研究成果以“An additively manufactured precipitation hardening medium entropy alloy with excellent strength-ductility synergy over a wide temperature range”發(fā)表在Journal of Material Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 24003888?via%3Dihub
圖1所示。(a)預(yù)合金粉末的形貌。(b)預(yù)合金粉末粒度分布圖。(c) SLM過(guò)程的示意圖。(d)鑄態(tài)和退火態(tài)合金的XRD圖譜。
圖2所示。制備后和退火后合金組織的EBSD結(jié)果(步長(zhǎng)= 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(tài)合金具有均勻的胞狀結(jié)構(gòu)。(b)退火合金在晶界附近呈現(xiàn)DP。(c)退火合金晶粒內(nèi)部區(qū)域的放大圖，顯示出細(xì)小的不連續(xù)析出物。(d)退火合金中新形成的再結(jié)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(xì)胞結(jié)構(gòu)未損壞但無(wú)明顯析出物的區(qū)域。
圖4所示。鑄態(tài)合金的TEM觀察。(a)建成后微觀結(jié)構(gòu)的TEM BF圖像，顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)。(b) TEM雙束BF圖像顯示由位錯(cuò)組成的細(xì)胞邊界。(c) LAADF-STEM圖像和相應(yīng)的合金細(xì)胞結(jié)構(gòu)的STEM-EDS圖。
圖5所示。退火合金中DP區(qū)的TEM和STEM觀察。(a) DP區(qū)域的TEM
BF圖像及其對(duì)應(yīng)的SAED模式。(b)與(a)對(duì)應(yīng)的TEM DF圖像顯示不連續(xù)L12析出物的形貌。(c)
DP區(qū)域的TEM雙波束BF圖像，顯示細(xì)胞邊界湮滅的痕跡。(d)
DP區(qū)域的HAADF-STEM圖像，顯示了不連續(xù)L12沉淀的形態(tài)和分布。(e)對(duì)應(yīng)(d)的STEM-EDS結(jié)果顯示沿細(xì)胞輪廓富集Ni、Ti和Al。
圖6所示。HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的放大倍數(shù)更高的DP區(qū)域的STEM-EDS映射。
圖7所示。退火合金中CP區(qū)的TEM和STEM觀察。(a)退火合金CP區(qū)的TEM雙束BF圖像，顯示由位錯(cuò)組成的完整的胞狀邊界。(b)與(a)中紅色虛線矩形對(duì)應(yīng)的TEM
DF圖像，顯示連續(xù)L12析出物的形態(tài)和分布。(c)
CP區(qū)域的LAADF-STEM圖像顯示由位錯(cuò)組成的完整細(xì)胞邊界。(d)與(c)對(duì)應(yīng)的STEM-EDS顯示沿細(xì)胞邊界富集Ni、Ti和Al。(e)細(xì)胞內(nèi)區(qū)域的STEM圖像和STEM-
eds結(jié)果，用(c)中的方形表示。(f)細(xì)胞間區(qū)域的STEM圖像和STEM- eds結(jié)果，用(c)中的圓形表示。
圖8所示。(a)不連續(xù)沉淀物的HR-TEM圖像，F(xiàn)FT模式對(duì)應(yīng)于標(biāo)記為1和2的區(qū)域。(b)連續(xù)沉淀的HR-TEM圖像，F(xiàn)FT模式對(duì)應(yīng)于標(biāo)記為3和4的區(qū)域。
(責(zé)任編輯：admin)
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