哈工大增材制造頂刊：深冷處理克服3D打印高熵合金強塑性矛盾！

來源：材料科學(xué)與工程

激光熔化沉積(LMD)技術(shù)是一種以粉末為原料，用以制造大型金屬構(gòu)件的增材制造(AM)技術(shù)。然而，該技術(shù)制備出的金屬構(gòu)件內(nèi)部通常具有較大的殘余應(yīng)力，進而影響其力學(xué)性能。常見的后處理強化手段主要為軋制、噴丸與激光沖擊強化等機械方法，其作用主要集中于金屬構(gòu)件表面、且會對其原有形狀進行破壞。基于以上考慮，在不破壞構(gòu)件原有形狀的前提下，本文提出一種簡單而有效的深冷處理(DCT)工藝來提高LMD制備的CoCrFeMnNi高熵合金(HEA)的力學(xué)性能，同時提升其室溫拉伸強度和塑性，突破了互為倒置關(guān)系的強塑平衡。實驗結(jié)果表明，LMD制備的樣品在經(jīng)歷不同時間的DCT處理后，會在其內(nèi)部誘發(fā)更大的殘余壓應(yīng)力和多種晶體缺陷亞微觀組織，主要包括位錯、層錯、納米孿晶和納米晶顆粒。其中，納米孿晶對DCT處理后的樣品的強化作用最為重要，其貢獻的理論屈服強度為51.0-246.8 MPa。塑性的提升主要歸因于殘余壓應(yīng)力的引入可顯著抑制在塑性變形過程中裂紋的形成和擴展。上述晶體缺陷產(chǎn)生于低溫浸泡過程中，這也導(dǎo)致了樣品在低溫處理后恢復(fù)室溫時內(nèi)部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的增加。本研究表明，DCT是一種能夠同時提高增材制造高熵合金強度和塑性的有效方法，不僅為增材制造高性能高熵合金的開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提供了一種新的后處理工藝思路，也將對其他增材制造金屬材料的強韌化處理起到一定的引領(lǐng)作用。

激光熔化沉積技術(shù)(LMD)已經(jīng)成為一種通用于多種金屬材料的激光增材制造(AM)技術(shù)，用于直接從金屬粉末原料制備復(fù)雜形狀的大型金屬合金構(gòu)件。與其他傳統(tǒng)的鑄造和鍛造方法相比，LMD具有超快的局部加熱和冷卻速度(103-104K/s)、加工周期短等獨特優(yōu)勢。一般而言，LMD制備的金屬合金構(gòu)件由于具有細小晶粒組織和高密度初始位錯結(jié)構(gòu)而體現(xiàn)高強度。然而，在LMD過程中，熔池內(nèi)的反復(fù)熔化和冷卻會產(chǎn)生較高的溫度梯度，從而導(dǎo)致打印后的金屬構(gòu)件內(nèi)不均勻分布的殘余應(yīng)力。以往的研究表明，塊體樣品內(nèi)部的殘余應(yīng)力狀態(tài)為在心部位置呈殘余壓應(yīng)力，在表面附近呈殘余拉應(yīng)力，這主要歸因于在LMD過程中樣品的不協(xié)調(diào)的收縮和膨脹作用。不均勻分布的殘余應(yīng)力的存在將不可避免地影響增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能，尤其是其強度和延性。為解決該問題，通常采用常規(guī)退火處理來降低增材制造構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，調(diào)控微觀組織，但其很難提高構(gòu)件的強度。因此，退火處理很少被單獨使用，通常是結(jié)合其他后處理強化方法同時進行，以消除LMD過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而恢復(fù)構(gòu)件本身的延展性。然而，傳統(tǒng)的后處理強化方法，如冷軋或扭轉(zhuǎn)等，會對增材制造的原有形狀造成破壞，而其他方法，如激光沖擊強化或激光噴丸等，只能處理暴露在構(gòu)件外部的自由表面，對尺寸較大或形狀復(fù)雜的樣品是無法起到很明顯的強化作用。因此，制約增材制造技術(shù)規(guī)�；瘧�(yīng)用的一個瓶頸是缺乏有效且無損的后處理強化方法。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的黃永江團隊與大連交通大學(xué)的呂云卓教授，英國皇家工程院院士、香港大學(xué)顏慶云教授(A.H.W. Ngan)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)分析測試中心合作，提出并證明了深冷處理(DCT)是一種可以有效克服增材制造高熵合金強塑性倒置問題的后處理方法。DCT曾作為一種無損的方法被提出，它可有效地調(diào)整殘余應(yīng)力分布并調(diào)控微觀組織，以改善傳統(tǒng)方法制備的Ti和Ni合金的力學(xué)性能。在本研究中，我們選用已經(jīng)受到廣泛關(guān)注的CoCrFeMnNi HEA作為模型材料，證明DCT也可以在LMD制備的金屬樣品中會產(chǎn)生類似的有益效果。首先采用LMD技術(shù)制備了塊體CoCrFeMnNi HEA樣品，隨后對樣品進行了不同時間的低溫浸泡處理，具體操作為將打印倉內(nèi)冷卻至室溫的塊體樣品取出并整體置于液氮內(nèi)，分別進行77K低溫浸泡12h，24h，48h和120h，取出后進行常溫水浴升溫至室溫，然后對詳細分析其內(nèi)部殘余應(yīng)力、組織演變和力學(xué)性能。研究重點在于揭示低溫深冷處理條件下晶體缺陷組織的形成，并定量分析不同強化機制對深冷處理后的高熵合金樣品的屈服強度的理論強度貢獻，最后利用有限元模型闡述了殘余應(yīng)力的形成與演變機制。相關(guān)研究成果以題“Overcoming the strength-ductility trade-off in an additively manufactured CoCrFeMnNi high entropy alloy via deep cryogenic treatment”發(fā)表于增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing。


論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102546

圖1 LMD制造塊體CoCrFeMnNi HEA樣品:(a)LMD實驗示意圖，(b)和(c)原始CoCrFeMnNi HEA粉末的SEM圖像和X射線衍射圖譜，(d)LMD過程的掃描策略和(e)DCT過程示意圖。

圖2 (a)不同時間DCT處理后的XRD圖譜，(b)放大后的(111)峰的XRD圖譜，(c)殘余應(yīng)力測量結(jié)果(誤差棒表示每種條件下5次重復(fù)測量的范圍)。

圖3不同時間DCT處理后的EBSD圖像：(a) 12 h，(b) 24 h，(c) 48 h和(d) 120 h，以及DCT120h樣品內(nèi)部的元素分布圖。

圖4不同時間DCT處理后樣品內(nèi)部的透射電子顯微鏡圖像：(a) 打印態(tài)，(b) 12 h，(c) 24 h，(d) 48 h和(e, f) 120 h。

圖5(a)打印態(tài)和不同時間DCT處理后高熵合金試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)采用不同制備方法和后處理方法制備的具有fcc結(jié)構(gòu)的高熵合金與增材制造制備的傳統(tǒng)合金的屈服強度(σy)和斷裂延伸率(εf)比較。

圖6 DCT過程中晶體缺陷產(chǎn)生及殘余應(yīng)力演化示意圖。從(i)冷卻到(ii)導(dǎo)致低溫下晶粒中呈拉伸(T)熱應(yīng)力。在低溫浸泡(ii)到(iii)的過程中，在拉應(yīng)力的作用下慢慢產(chǎn)生缺陷(黃色標(biāo)記)，并部分松弛拉應(yīng)力。當(dāng)從(iii)再加熱到室溫(iv)時，由于缺陷形成和相應(yīng)的塑性變形，晶粒中產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力(C)，且延長低溫浸泡時間會產(chǎn)生更多的缺陷。

圖7 (a)有限元模型，(b)藍色數(shù)據(jù)點(左軸)表示從彈粘塑性本構(gòu)模型預(yù)測的DCT過程中的熱(殘余)應(yīng)力變化，綠色數(shù)據(jù)點(右軸)表示溫度-時間圖。在(a)的有限元模型中，應(yīng)力在LMD塊的質(zhì)心處進行評估。