溫州大學：電弧增材制造高熵合金玩出新高度——多股絞絲增材

來源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

據(jù)悉，溫州大學陳希章教授團隊首次突破了多股絞絲增材制造高熵合金制造技術(shù)，為大尺寸和復雜形狀高熵合金材料及產(chǎn)品的制造提供了一種高效有前途的制造方法，制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金達到強度2.8GPa和延伸率42%的優(yōu)異結(jié)合。

高熵合金提出十余年來，由于理論和性能上的突破，是研究人員的研究重點之一。其中增材制造因其獨特的優(yōu)勢，收到研究人員和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。增材制造所使用的材料主要是粉末和絲材兩種，對高熵合金來講，目前主要是粉末為主，用于選區(qū)激光融化（SLM）、激光熔覆（LMD）、選區(qū)電子束熔化（SEBM）和等離子弧增材制造（PPAW）等。而絲材是直接沉積增材制造的主要原材料，特別適用于大尺寸構(gòu)件的制造，具有效率高、產(chǎn)品利用率高等優(yōu)勢，而高熵合金由于成分的復雜形導致流動性和偏析等問題，大尺寸產(chǎn)品的制造恰恰是其痛點并限制了該材料的工業(yè)應用。但高熵合金的絲材制備由于各種技術(shù)上的難點，至今未能實現(xiàn)，成為瓶頸技術(shù)，大大限制了該高端材料的應用。

近日，溫州大學機電工程學院陳希章教授的“先進連接與增材制造”研究團隊，將各種單質(zhì)或者合金絲按照設計成分計算并采用特殊工藝絞合成單根絞合式絲材（作者命名為CCW），以此絲材作為填充材料，以電弧為能源實現(xiàn)了高熵合金制品的增材制造。相關(guān)研究成果以“Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropy alloy using combinedcable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM): Microstructure and mechanicalproperties” 為題發(fā)表在《Journal of Materials Science &Technology》74（2021）136-142

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

該團隊制備的絲材采用多種單質(zhì)或者合金絲絞合而成，成功避開了高熵合金絲的制備難點。文章涉及絞合絲材由7根單質(zhì)與合金絲材經(jīng)計算采用特殊工藝絞制而成，直徑為1.8mm，采用冷金屬過渡（CMT）電弧增材技術(shù)成功制備了Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子比高熵合金。圖1所示為作者所采用的技術(shù)和多股絞合絲材。

圖1：a. 電弧增材制造原理圖；b. 絞合絲原理圖；c. 絞合絲實物圖

Al-Co-Cr-Fe-Ni體系的高熵合金通過鋁元素原子半徑與其余幾種元素的差異產(chǎn)生的晶格畸變來實現(xiàn)固溶強化。本實驗通電弧增材制造在制備非摩爾比的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。打印出來的試樣由FCC和BCC雙相組成，其中BCC為富Al-Ni相，F(xiàn)CC為富Fe-Cr相。制造的高熵合金元素分布如圖2所示。

圖2：電弧增材制造Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金元素分布圖

實驗通過改變沉積速度來研究熱量對制得高熵合金試樣組織性能的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)焊槍運行速度越快（熱量輸入越少），制得的試樣晶粒尺寸越小，體現(xiàn)在機械性能上的影響的為熱量輸入越少，屈服強度，斷裂強度和韌性都有一定提升（斷裂強度：2835 MPa，延伸率：41.8%）。工藝參數(shù)對制造的高熵合金結(jié)構(gòu)影響如圖3所示。

Fig. 3. 不同沉積速度下高熵合金的反極圖：a. 8 mm/s; b. 10 mm/s; c. 12 mm/s; d. 沉積態(tài)

為驗證產(chǎn)品性能，直接使用該絲材作為原料進行熔煉，保證同等成分，與增材制造試樣進行對比。與熔煉試樣對比發(fā)現(xiàn)，由于熔煉散熱慢，導致晶粒粗大，嚴重脆化，斷裂強度和韌性遠不如增材制造的試樣。這充分體現(xiàn)了增材制造的優(yōu)越性。圖4給出了基本增材制造高熵合金的性能及其與同成分鑄件產(chǎn)品的對比。

Fig. 4. 強度試驗: a. 應力應變曲線; b. 平均值.

據(jù)悉，該團隊以突破大尺寸塊體材料和復雜形狀高熵合金產(chǎn)品構(gòu)件的制造和工業(yè)應用為目標，自2016年提出高熵合金的絞合絲增材制造構(gòu)想，至今已經(jīng)突破多項關(guān)鍵技術(shù)，成功掌握多種高熵合金絞合絲的制備工藝，成功采用冷金屬過渡（CMT）、等離子弧、激光等絲材直接沉積手段，實現(xiàn)了高熵合金的絞絲直接沉積增材制造。

論文引用：Q.K.Shen, X.D. Kong, X.Z. Chen, Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropyalloy using combined cable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM):microstructure and mechanical properties, J. Mater. Sci. Technol. 74 (2021)136-142.