通過調控堆垛層錯能實現增材制造高熵合金的裂紋抑制和優異的強度-延展性協同
時間：2024-07-03 09:51 來源：AMLetters 作者：admin 閱讀：次
在開發應用于工業的金屬材料時，材料的強度-延展性權衡是持續存在的挑戰。多元高熵合金 (HEA)
的提出擴大了開發具有優異機械、物理和化學性能的新材料成分空間。然而，大多數HEA使用傳統的鑄造或鍛造工藝制造，嚴重限制了復雜形狀零件及其超細晶粒結構的生產。增材制造
(AM)
在材料加工中獲得了顯著的突出地位，激光粉末床熔融(LPBF)AM技術在生產HEA零件時表現出比傳統制造工藝壓倒性的優勢，該技術在制造具有超細晶粒尺寸和高精度的復雜形狀HEA部件方面具有巨大的潛力。
由于LPBF過程中的非平衡凝固和熱循環，在微尺度應力誘導開裂方面面臨著重大挑戰。這些條件會導致相當大的熱梯度和冷卻速率，不可避免地會引起顯著的熱/殘余應力并增強熱裂敏感性。因此，解決這些由熱應力引起的有害影響對LPBF成形HEA 的廣泛應用提出了重大挑戰。
現今已提出了各種方法來減輕LPBF成形部件內熱循環引起的微裂紋：I）熱等靜壓使成形的金屬部件致密化并減少微裂紋和孔隙的出現。但不能完全消除表面裂紋，期間的高溫會導致晶粒粗化，從而損害金屬部件的強度。II）優化LPBF成形參數以減輕熱循環引起的應力并最大限度地減少微尺度裂紋，但仍未取得令人滿意的結果。III) 修改某些合金的化學成分，以調整凝固路徑。例如，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量，通過減少臨界凝固和抑制極端熱循環期間金屬間化合物的形成，顯著增強了抗熱裂性。然而，該技術目前僅限于狹窄范圍的合金系統，因此，迫切需要更有效的方法來解決LPBF成形合金中應力引起的開裂問題。
LPBF快速凝固過程中微裂紋的成核和擴展可被視為熱應力的能量耗散機制。在此背景下，中南大學李瑞迪教授團隊提出了一種新方法，通過調節堆垛層錯能 (SFE) 來減輕熱循環引起的應力并抑制LPBF加工過程中合金微裂紋的形成。在本研究中，選擇了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作為基礎材料，其中摻雜了約 2.4 at.% 的Al來控制SFE值并驗證了提出的方法。一方面，Al的重量輕且成本低廉，有利于有效改變各種合金系統中的SFE。另一方面，與 Fe、Co、Cr 和Ni原子相比，由于Al的原子半徑較大，添加Al會增加晶格摩擦并提高合金的強度。兩種合金的SFE值均通過透射電子顯微鏡 (TEM) 表征和密度泛函理論 (DFT) 計算確定。與不含Al的HEA相比，在Al摻雜的HEA中觀察到微裂紋顯著減少。此外，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲勞性。這項研究為通過激光增材制造工藝操縱SFE來實現高質量的無裂紋金屬零件提供了寶貴的見解。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160
由于LPBF過程中的非平衡凝固和熱循環，在微尺度應力誘導開裂方面面臨著重大挑戰。這些條件會導致相當大的熱梯度和冷卻速率，不可避免地會引起顯著的熱/殘余應力并增強熱裂敏感性。因此，解決這些由熱應力引起的有害影響對LPBF成形HEA 的廣泛應用提出了重大挑戰。
現今已提出了各種方法來減輕LPBF成形部件內熱循環引起的微裂紋：I）熱等靜壓使成形的金屬部件致密化并減少微裂紋和孔隙的出現。但不能完全消除表面裂紋，期間的高溫會導致晶粒粗化，從而損害金屬部件的強度。II）優化LPBF成形參數以減輕熱循環引起的應力并最大限度地減少微尺度裂紋，但仍未取得令人滿意的結果。III) 修改某些合金的化學成分，以調整凝固路徑。例如，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量，通過減少臨界凝固和抑制極端熱循環期間金屬間化合物的形成，顯著增強了抗熱裂性。然而，該技術目前僅限于狹窄范圍的合金系統，因此，迫切需要更有效的方法來解決LPBF成形合金中應力引起的開裂問題。
LPBF快速凝固過程中微裂紋的成核和擴展可被視為熱應力的能量耗散機制。在此背景下，中南大學李瑞迪教授團隊提出了一種新方法，通過調節堆垛層錯能 (SFE) 來減輕熱循環引起的應力并抑制LPBF加工過程中合金微裂紋的形成。在本研究中，選擇了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作為基礎材料，其中摻雜了約 2.4 at.% 的Al來控制SFE值并驗證了提出的方法。一方面，Al的重量輕且成本低廉，有利于有效改變各種合金系統中的SFE。另一方面，與 Fe、Co、Cr 和Ni原子相比，由于Al的原子半徑較大，添加Al會增加晶格摩擦并提高合金的強度。兩種合金的SFE值均通過透射電子顯微鏡 (TEM) 表征和密度泛函理論 (DFT) 計算確定。與不含Al的HEA相比，在Al摻雜的HEA中觀察到微裂紋顯著減少。此外，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲勞性。這項研究為通過激光增材制造工藝操縱SFE來實現高質量的無裂紋金屬零件提供了寶貴的見解。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160
圖1. a) LPBF 成形 HEA 懸臂部件示意圖。b、c) 分別使用 X-CT和EBSD 在無Al
HEA 中產生的微裂紋缺陷；d) 使用三維方法測量成形的無 Al HEA 懸臂部件的變形。e、f) 分別使用 X-CT 和 EBSD
表征具有低SFE（堆垛層錯能）的無裂紋 Al0.1FeCoCrNi HEA。g) 摻雜Al的HEA懸臂部件變形結果。
圖2. LPBF 成形的無Al和摻雜Al的HEA 微觀結構和SFE計算。a、b) 和
d、e) [110] 晶帶軸區域的明場 (BF)-STEM 圖像分別顯示無Al和摻雜Al的HEA 的大量位錯。c、f) 在 1.5%
的應變下，無Al和摻雜Al的HEA 樣品中分離位錯的弱束暗場 (WBDF) 圖像。g) 圖 2c、f
中測量的分離位錯的部分分離距離，以及對應于不同值的理論堆垛層錯能量曲線。h) 用于DFT計算的FeCoCrNi 和Al0.1CoCrFeNi
HEA的FCC超晶胞。i) FeCoCrNi 和 Al0.1CoCrFeNi HEA 沿 [112] 方向的基面GSFE 曲線。
圖3. LPBF成形的無Al和摻雜Al的HEA殘余應力和原子應變場分析。a) 通過 X 射線衍射測量的等原子 FeCoCrNi 殘余應力。b) 兩種 HEA 的表面殘余應力。c,d) 微觀結構特征圖分別說明了 HEA 中微觀殘余應力的減小。e,i) 從透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 圖，揭示了亞微米級應變分布。f–h,j–l) 基于近 [110] 區域軸的 HR-HAADF 圖像以及相應的水平法向應變 εxx g,k) 和剪切應變 εxy h,l) 圖。
(責任編輯：admin)
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