中南大學(xué)腐蝕頂刊：大幅提高選擇性激光熔化高熵合金的抗氫脆性！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：我們證明了通過控制退火來改變胞狀結(jié)構(gòu)可以有效地提高選擇性激光熔化 (SLM) 合金的抗氫脆 (HE) 性。對 SLM 加工和退火CoCrFeMnNi 高熵合金樣品的研究表明，退火保留了胞狀結(jié)構(gòu)，同時有效地降低了位錯密度。在原位電化學(xué)充氫下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗（1×10 -5 s -1）中，這略微降低了強(qiáng)度，但顯著提高了延展性和抗HE性。

高熵合金（HEAs）作為一類性能優(yōu)異、應(yīng)用潛力巨大的新型材料，近年來受到廣泛關(guān)注。例如，據(jù)報道，單相面心立方 (FCC) 等原子 CoCrFeMnNi HEA 在室溫和低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性組合，以及許多下比304和316奧氏體不銹鋼氫脆（HE）的易感性。然而，HEA 的這些特殊性能主要在通過包括熔化、軋制、熱處理等常規(guī)冶金工藝制備的樣品中進(jìn)行探索，這些工藝難以直接生產(chǎn)復(fù)雜部件。

選擇性激光熔化（SLM）是一種先進(jìn)的增材制造工藝，可以直接生產(chǎn)具有超細(xì)微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何零件。由于SLM過程中局部快速加熱和冷卻，凝固后可以在液體中保留大量空位，促進(jìn)位錯堆積群的形成。因此，在融合邊界附近可以形成由高密度位錯胞壁裝飾的胞壁結(jié)構(gòu)，胞內(nèi)相對干凈，沒有明顯的位錯。在位錯單元壁上也可以產(chǎn)生顯著的彈性應(yīng)變場，即局部殘余應(yīng)變。與傳統(tǒng)鑄造合金相比，這些超細(xì)蜂窩結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是 SLM 加工合金強(qiáng)度提高的主要原因 。SLM 工藝已成功應(yīng)用于制備等原子 CoCrFeMnNi HEA 。正如相關(guān)研究報道的那樣，打印樣品的密度隨著體積能量密度(VED) 的增加而增加，最高可達(dá) 74 J/mm 3，在此之后密度不會進(jìn)一步增加 。SLM 用預(yù)合金粉末生產(chǎn)的等原子 CoCrFeMnNi HEA 表現(xiàn)出均勻的元素分布，極限抗拉強(qiáng)度(UTS)約為 600 MPa ，優(yōu)于鑄造合金，可與細(xì)合金相媲美。

盡管 SLM 處理的合金由于具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)而始終表現(xiàn)出增強(qiáng)的強(qiáng)度，但關(guān)于蜂窩狀結(jié)構(gòu)對 HE 行為影響的有限研究結(jié)果在一定程度上不一致，并且可能取決于合金的特定特性。DCKong 等報道稱，在充氫 SLM 處理的 316 L 不銹鋼中，精細(xì)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以限制馬氏體的形成，從而提高其對氫致?lián)p傷的抵抗力。在激光粉末床融合打印的 304 L 不銹鋼中也觀察到了類似的現(xiàn)象。然而，SLM 處理的 316 L 不銹鋼的氫滲透研究表明，蜂窩結(jié)構(gòu)充當(dāng)氫的快速傳輸通道，并且該材料比冷軋對應(yīng)物表現(xiàn)出更高的氫擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)我們之前的研究，同一材料不同微觀結(jié)構(gòu)特征的不同氫擴(kuò)散系數(shù)會導(dǎo)致氫的不均勻分布。因此，不均勻分布的氫將導(dǎo)致氫集中區(qū)域的局部開裂。因此，SLM 處理的 CoCrFeMnNi HEAs 可能比通過熔化、軋制和熱處理制備的相同合金表現(xiàn)出更高的 HE 敏感性。另一方面，SLM加工合金中的大量位錯可以促進(jìn)熱處理過程中的再結(jié)晶[，可用于改變胞結(jié)構(gòu)，提高抗HE。

在這項工作中，中南大學(xué)材料學(xué)院李志明教授團(tuán)隊在原位電化學(xué)充氫下通過慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT，1 × 10 -5 s -1 ）測試研究了 as-SLM 處理和后退火等原子 CoCrFeMnNi HEA 樣品的 HE 行為。在 SLM 處理的 HEA 中修改胞狀結(jié)構(gòu)可以顯著提高 HE 抵抗力。通過比較變形顯微組織討論了增強(qiáng) HE 抗性的機(jī)制合金樣品在不同加工條件下的開裂路徑。因此，這項工作為 SLM 制造材料在氫環(huán)境中的開發(fā)和應(yīng)用提供了新見解。相關(guān)研究成果以題“Improvingthe hydrogen embrittlement resistance of a selective laser melted high-entropyalloy via modifying the cellular structures”發(fā)表在國際腐蝕期刊CorrosionScience 上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X21004613

目前的研究表明，通過良好控制的退火程序來修改蜂窩結(jié)構(gòu)，可以顯著提高SLM加工材料的機(jī)械性能，尤其是抗HE性能。因此，可以拓寬此類材料的應(yīng)用。該研究是通過微觀結(jié)構(gòu)表征和原位充氫下原位充氫的拉伸開裂行為分析來進(jìn)行的，該研究是通過對 as-SLM 處理和后退火 CoCrFeMnNi HEA 的拉伸開裂行為進(jìn)行的。特別是，系統(tǒng)地研究了測試樣品的斷裂特征。在目前的 as-SLM 加工的 HEA 中，具有高密度位錯和局部殘余應(yīng)變分布的蜂窩結(jié)構(gòu)在保持良好可塑性的同時提高了強(qiáng)度。然而，由于這些區(qū)域的高擴(kuò)散速率和氫濃度，這些特征也通過在融合邊界附近的 GB 裂紋引入了一定的 HE 敏感性。

圖1。(a) 用于選擇性激光熔化(SLM) 工藝的預(yù)合金化等原子 CoCrFeMnNi 高熵合金 (HEA) 粉末的 SEM 圖像；(b)粉末大小的分布；(c) SLM 設(shè)施示意圖，掃描策略為層間67° 旋轉(zhuǎn)；(d) 在 XY 平面上的 as-SLM 處理樣品的金相照片，插圖顯示了典型的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

圖2。(a) 樣品切割示意圖；(b) 在慢應(yīng)變率拉伸 (SSRT) 測試期間的原位電化學(xué)充氫；(c) 工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3。SLM處理和后退火樣品的EBSD 分析：(a)-(b) 分別顯示了 as-SLM 處理和 900 ℃ 1 h 退火 HEA 樣品的 IPF 圖；(c) 晶粒取向分布；(d)-(e)分別顯示了as-SLM處理和900℃退火1小時HEA樣品的GOS圖；(f) 顯示了樣品在三種不同條件下的 GOS 分布。IPF 和 GOS 分別指的是“反極圖”和“晶粒取向擴(kuò)展”。

圖 4。XY 平面上微結(jié)構(gòu)的ECC 圖像：（a）和（c）顯示了在 as-SLM 處理的樣品中沿融合邊界分布的具有高密度位錯的細(xì)胞結(jié)構(gòu)；(b) 和 (d) 顯示了在 900 ℃ 退火 1小時后具有相對低密度位錯的改性細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

圖 5。結(jié)果從SSRT在空氣中，并在測試原位充氫作為-SLM處理和900℃1個小時退火的樣品組成：（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (b) UTS值；(c) 均勻的塑性值

圖 6。在空氣中破裂的樣品中的變形孿晶和高密度位錯：(a) as-SLM 處理；(b) 900 ℃ 1 h 退火。

圖 7。在原位充氫下破裂的as-SLM 處理樣品中裂紋區(qū)域的 EBSD 圖和 ECC 圖像：（a）IPF 圖顯示沿熔合邊界的裂紋，裂紋尖端有斷開的部分；(b) 核平均取向差 (KAM) 圖沿裂紋和 GB 表現(xiàn)出高取向差；(c) 沿裂紋路徑的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的 ECC 圖像；(d) 裂紋附近蜂窩結(jié)構(gòu)的高倍 ECC 圖像。

圖 9。900 ℃ 1 h 退火試樣在原位充氫下斷裂的HE裂紋ECC圖像：（a）原位充氫過程中試樣表面附近形成的塑性變形區(qū)；(b) 變形區(qū)的納米變形孿晶和位錯胞；(c) 裂紋沿晶界擴(kuò)展并導(dǎo)致沿裂紋的位錯胞和滑移帶；(d)裂紋尖端位錯單元的高倍 ECC 圖像。

圖 13。HE裂紋萌生和擴(kuò)展模式示意圖：（a）拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同階段的應(yīng)力狀態(tài)分布；(b)-(d) 顯示了在 as-SLM 處理的樣品中裂紋萌生和沿熔合邊界附近的 GB 擴(kuò)展；(e)、(f) 顯示在 900 ℃ 1 h 退火樣品中，氫有助于沿 GB 的局部變形和裂紋擴(kuò)展。

通過控制退火，例如在 900 ℃保溫1 h，被發(fā)現(xiàn)保留了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但有效地釋放了局部殘余應(yīng)變并降低了位錯密度，這略微降低了強(qiáng)度，但顯著提高了延展性和抗 HE 性能。HE裂紋的萌生和擴(kuò)展被氫增強(qiáng)的局部塑性機(jī)制延遲，在改性結(jié)構(gòu)中形成納米孿晶和位錯胞。