硬度、拉伸性能機械性能：3D打印HEA高熵合金：微觀結構和性能綜述(三)
一般來說，3D打印-增材制造零件的機械強度取決于密度和微觀結構。與通過傳統路線（例如鑄造）生產的零件相比，AM-增材制造生產的零件具有更精細的微觀結構，其機械性能優于同類產品。到目前為止，AM HEAs高熵合金的力學性能已經從硬度、拉伸和壓縮測試等方面進行了研究，通過HIP熱等靜壓、固溶處理和時效等后處理可以通過消除現有的冶金缺陷和增材制造金屬材料中的殘余應力。
上期內容涵蓋元素分布、相、后處理方面的微觀結構介紹，本期內容將涵蓋硬度和拉伸性能相關的機械性能研究。
3D打印HEA合金
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顯微硬度
研究發現3D打印-增材制造的HEA高熵合金，一般來說，具有 BCC 相結構的 HEA（例如 MoNbTaW）的硬度高于具有 FCC 相的 HEA（例如 CoCrFeNi）的硬度。
HEA 中 BCC 相的較高固溶體硬化源于與 FCC 相相比較大的晶格畸變。隨著 Al 含量的增加，由于 BCC/B2 相與 FCC/L12 相的比例增加，LMD 激光熔覆3D打印沉積的分級 AlxCrCuFeNi2 HEA 的顯微硬度逐漸增加，研究表明與 FCC/相比，BCC/B2 結構更硬。
當接近樣品底部時，EBM電子束熔融3D打印制造的 AlCoCrFeNi HEA高熵合金的硬度逐漸降低，這是由于 FCC 相的部分增加所致。
對于由具有不同 Al 濃度的 LMD 激光熔覆3D打印制造的 AlCoCrFeNi HEA高熵合金，也觀察到了類似的硬度變化趨勢。
據報道，由于微觀結構逐漸從樹枝狀晶粒變為柱狀晶粒，SLM選區激光金屬熔化3D打印的 AlCoCrFeNi HEA 的硬度從 670 HV 降低到 149 HV，Al/Ni 比降低。請注意，SLM選區激光金屬熔融3D打印、LMD激光熔覆3D打印、EBM選區電子束熔融3D打印和 WAAM電弧增材制造的 AlCoCrFeNi HEA 之間的硬度沒有顯著差異。
研究人員通過 LMD 制造了 AlxCoCu1-xFeNi HEA高熵合金，具有不同的 Al 和 Cu 含量。所生產的三種 HEA 的最高硬度值 (x = 0.25, 0.5, 0.75) 在試樣的頂部區域獲得，平均值分別為 426.3 HV、519.4 HV 和 541.1 HV。
對于 LMD 構建的成分NbTaTiZr HEA高熵合金，富含 Nb 區域的硬度最低，為 220 HV0.1，而隨著 Zr 濃度的增加，硬度增加到 400 HV0.1。
LMD 制造的MoNbTaWx HEA高熵合金的顯微硬度也顯示出隨著 W 含量的增加而增加的趨勢。
另有研究發現LMD激光熔覆3D打印技術構建的 AlCrFeMoV HEA高熵合金由于添加 V 而提高的硬度，當 V 含量從 0.3 at.% 增加到 18.5 at.% 時，硬度從 485 HV 增加到 581 HV，歸因于固溶強化機制。
除了以上因素可以影響高熵合金的硬度，還有研究發現3D打印加工過程中對硬度的影響因素，例如研究發現SLM選區金屬熔融3D打印過程中激光的輸入能量與制造的 CoCrFeNi 硬度之間的關系。觀察到隨著輸入能量在 100 ~ 750 J·mm-3 范圍內，硬度首先從 247 HV 增加到 276 HV，然后隨著輸入能量的進一步增加，硬度下降到 233 HV，這是由于增強的影響。
另有研究通過 SLM 選區金屬熔融3D打印制備 CoCrFeNiC0.05 HEA高熵合金并測試不同相的硬度。結果表明，所獲得的 HEA高熵合金樣品中新形成的碳化物相具有比 FCC 基體 (440 HV) 顯著更高的硬度 (1157 HV)，這通常被認為可以提高機械強度。
此外，通過LMD激光熔覆3D打印技術對具有不同難熔金屬和合金（Nb、Ta 和 Ti-6Al-4V）進行加工，然后對加工出來的CoCrFeMnNi HEA高熵合金進行了系統的成分-硬度研究。通常，隨著各自難熔金屬的添加，每個 HEA高熵合金樣品的硬度都顯示出逐漸的增加。
拉伸性能
通過不同的增材制造技術和選擇的加工參數所獲得的微觀結構差異很大，同一成分組成的HEA高熵合金（例如 AlCoCrFeNi）的拉伸性能差異很大。一般來說，AM-增材制造工藝生產的HEA高熵合金樣品的各向異性微觀結構相對于構建方向通常表現出明顯的紋理，表現出各向異性拉伸性能，并且顯著取決于晶粒取向。
在通過LMD激光熔覆3D打印技術制造的 CoCrFeMnNi HEA 的拉伸試驗中，與鑄造工藝相比，表現出更高的屈服強度和延展性。
此外，CoCrFeMnNi高熵合金試樣的機械性能可以通過改變微觀結構的激光功率和掃描策略來調整。根據研究報告，隨著激光功率從 1000 W 增加到 1400 W，與鑄態合金相比，其機械性能也更好。
另有研究觀察到單向沉積 1000 W 和 1200 W 試樣的掃描方向和沉積方向之間塑性變形的強各向異性，這與底部粗柱狀晶粒沿熱流方向的強織構有關。相反，研究觀察到 1400 W 樣品的掃描和沉積方向的各向同性塑性變形是由于細柱狀晶和等軸晶，沒有明顯的擇優取向。
研究發現SLM 打印的 CoCrFeNi HEA 具有高強度和良好的延展性。值得一提的是，屈服強度是其鑄造等效值的三倍 。
另有研究通過LMD激光熔覆3D打印技術制造的CoCrFeNiNbx HEA高熵合金，CoCrFeNi (x = 0) 樣品的伸長率高達 92.5%，達到了迄今為止報道的所有增材制造 HEA 的最高值。同時，與鑄態對應物相比，CoCrFeNiNb0.1 樣品的強度和延展性均有所提高。從拉伸試樣的斷裂形態來看，在沉積的 CoCrFeNi (x = 0) HEA高熵合金中可以觀察到許多深凹坑，表明典型的韌性斷裂。在添加 Nb 時觀察到由凹坑和凸起邊緣組成的混合斷裂模式，這是由有序 Laves 相的形成引起的。
此外，有研究發現LMD激光熔覆3D打印技術沉積的 CoCrFeMnNi HEA高熵合金的拉伸變形過程主要伴隨著變形孿晶的位錯活動，導致拉伸強度與細晶粒鍛造退火對應結果相當。
而對于 SLM選區激光熔融3D打印技術制造的Co20Cr15Cu1.5Fe38.5Mn20Si5 HEA高熵合金，盡管含有 1.5 vol% 的微裂紋和孔隙，但由于變形誘導相變產生的持續 WHR，樣品表現出優異的強度-延展性協同作用（分別為 1235 MPa 和 17.2%）。
通過對 SLM選區激光熔融3D打印技術制造的細晶粒 Cr4Fe9Ni6TiW HEA高熵合金的機械性能進行的系統研究。發現分散在晶粒內部和晶界的納米級顆粒具有阻擋位錯和儲存位錯的雙重目的，從而減輕了沿晶斷裂的傾向，從而增加了失效前的總伸長率。
此外，一些研究人員試圖添加間隙元素來制備 HEA 復合材料以提高其強度。通過控制 TiC 的添加量，可以獲得具有一定增強機械性能的 LMD激光熔覆3D打印制造的 CoCrFeMnNi基 HEA高熵合金。添加 5 wt.% TiC 時，合金的拉伸強度和應變分別為 723 MPa 和 32%，而未添加 TiC 的樣品為 550 MPa 和 50%。
類似地，通過添加 TiN 和 WC，CoCrFeMnNi HEA 的抗拉強度增加，延展性降低，有研究發現間隙溶質強化 CoCrFeMn HEA 的出色強度-延展性協同作用，通過位錯滑移、變形纏繞和相變的組合效應超過了大多數 SLM 打印的常規合金。
另有研究報道了SLM選區激光熔融3D打印技術制造的C摻雜的CoCrFeMnNi HEA高熵合金，具有抗拉強度和伸長率分別在 768~989 MPa 和 24.3~51.6 % 范圍內。由于有序氮復合物的形成，間隙N原子摻雜到這種 CoCrFeMnNi HEA高熵合金中也同時提高了強度和延展性。此外，還發現添加 Si 有利于提高增材制造的 HEA 的機械性能。
類似的研究還包括在SLM選區激光熔融3D打印過程中將Si粉末添加到亞穩態 Fe50Mn30Co10Cr10 粉末中。結果表明，含Si亞穩HEA高熵合金的強度隨著Si的增加而逐漸增加，總伸長率逐漸增加，仍能達到30%以上。這種強度-延展性權衡是因為 Si 增加了Fe50Mn30Co10Cr10 HEA 中 FCC 相的亞穩定性，促進了相變誘導的塑性以調整拉伸變形過程中的孿晶應變。
另一種亞穩態HEA高熵合金，即 Fe60Co15Ni15Cr10，顯示出比其他 SLM 制造的HEA高熵合金高得多的 69.5% 的伸長率，同時具有可接受的強度。
最近的前沿研究包括使用不同的3D打印-增材制造技術制造共晶HEA 高熵合金。由于超細的共晶層間距和層狀菌落，SLM選區激光熔融3D打印的Al18Co30Cr10Mo1Ni30W1共晶HEA高熵合金表現出優異的力學性能，室溫屈服強度和極限抗拉強度，均勻伸長率分別在1000 MPa、1400 MPa和20%左右，達到最高所有3D打印-增材制造的 HEA 的強度，這表明共晶 HEA高熵合金在增材制造領域具有巨大的應用前景。
更多深入分析3D打印HEA材料的分析，請持續關注后續內容，下期將聚焦介紹3D打印HEA材料的機械性能方面有關抗壓性能、低溫和高溫特性、蠕變行為、后處理效果等方面的研究。
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