供稿人：宋海洋、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-06-22
增材制造以其良好的成本效益和材料節(jié)約的方式受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。選區(qū)激光熔化(SLM)作為一種激光粉末床熔融的增材制造工藝，越來越多地應(yīng)用于精細結(jié)構(gòu)、復(fù)雜形狀金屬零件的制造，但是在利用該工藝對合金進行制備時，其微裂紋控制方面面臨著巨大挑戰(zhàn)，本文從切變型相變的角度闡述了增材制造高熵合金的微裂紋抑制機理。
研究表明，經(jīng)SLM工藝制備的等原子比FeMnCoCrNi高熵合金為穩(wěn)定的單相面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)，因呈現(xiàn)出殘余拉應(yīng)力，因此產(chǎn)生了微裂紋。相比之下，具有低層錯能的非等原子比亞穩(wěn)FeMnCoCr高熵合金在各種激光能量密度下則呈現(xiàn)出殘余壓應(yīng)力，且無微裂紋形成。
圖1 在不同的VED下，打印時單相等原子FeMnCoCrNi和雙相非等原子Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%) HEAs的殘余應(yīng)力
圖2 打印時HEAs的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布；(a) EBSD IPF 圖；(b，c) S單相等原子FeMnCoCrNi HEA的SEM圖像；(d) EBSD IPF 圖；(e，f) 雙相非等原子Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%) HEA的SEM圖像；(g-j) 通過EPMA分析得到了打印時雙相非等原子Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%) HEA中Fe、Mn、Co、Cr元素分布圖
從相變的角度來看，SLM過程中FCC基體向HCP馬氏體的位移轉(zhuǎn)變有效地抑制了亞穩(wěn)態(tài)高原子力合金通過消耗熱應(yīng)力相關(guān)內(nèi)能而產(chǎn)生的微裂紋。除此之外，還能產(chǎn)生較硬的HCP ε相，從而提高亞穩(wěn)態(tài)HEA的拉伸強度。
圖3 不同超視場下SLM試樣的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)；VED為185.2 J/mm3時SLM處理不同應(yīng)變水平下Fe50Mn30Co10Cr10 HEA的EBSD圖譜，20%(b1)，25%(c1) and 30%(d1)；以及應(yīng)變水平分別為20%(b2)、25%(c2)和30%(d2)的相分布圖
以上研究結(jié)果表明，經(jīng)激光打印后等原子比FeMnCoCrNi高熵合金顯示為穩(wěn)定的單相面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，并產(chǎn)生微裂紋。相比之下，具有低層錯能的非等原子比亞穩(wěn) FeMnCoCr高熵合金在各種激光能量密度下均出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，且無微裂紋形成。在激光熔化后的冷卻過程中，亞穩(wěn)高熵合金中發(fā)生的從 FCC基體相到密排六方(HCP)相的切變型相變消耗了激光打印過程中的熱應(yīng)力，從而抑制微裂紋的產(chǎn)生。此外，相比于單相穩(wěn)定高熵合金，亞穩(wěn)高熵合金在拉伸變形過程中馬氏體相變也有助于提高其抗拉強度和延展性。