哈工大增材頂刊《AM》：通過深度低溫處理克服增材制造高熵合金的強度-延展性權(quán)衡

導(dǎo)讀：通過激光熔融沉積進(jìn)行增材制造是一種從粉末原料中制造復(fù)雜形狀合金的強大技術(shù)。然而，此類產(chǎn)品通常具有較差的機械性能，無法通過冷軋或成型等傳統(tǒng)加工手段來改善，因為這些會破壞制造的形狀。本文提出深度低溫處理（DCT）是提高激光熔融沉積的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）在室溫下力學(xué)性能的一種簡單有效的方法。發(fā)現(xiàn)DCT在增材制造的 CoCrFeMnNi HEA中引入大的壓縮殘余應(yīng)力和晶體缺陷，包括位錯、堆垛層錯、納米孿晶和納米晶粒。納米孿晶在強化中起關(guān)鍵作用，對DCT處理的CoCrFeMnNi HEA 貢獻(xiàn) 51.0~246.8 MPa，而壓縮殘余應(yīng)力被認(rèn)為是通過 抑制裂紋形成來提高延展性的原因。在低溫均熱過程中明顯產(chǎn)生了結(jié)晶缺陷，這也導(dǎo)致了DCT結(jié)束時再加熱時的殘余壓應(yīng)力。目前的工作將 DCT 確立為同時提高增材制造合金強度和塑性的有效方法。

激光熔融沉積（LMD）已被確立為一種多功能增材制造（AM）技術(shù)，用于從粉末原料直接制造復(fù)雜形狀的合金產(chǎn)品。 與其他傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法相比，LMD在超快局部熔化和冷卻速率（103～104 K/s）方面具有某些獨特的優(yōu)勢，且處理周期短。原則上，LMD制造的合金由于其細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)和高密度位錯而可能具有高強度。 然而，在LMD期間，熔池中發(fā)生的反復(fù)熔化和冷卻會導(dǎo)致高溫梯度，從而在建成部件內(nèi)不均勻分布?xì)堄鄳?yīng)力。

先前的研究表明，殘余應(yīng)力狀態(tài)在零件內(nèi)部是壓縮的，并且在頂部表面附近拉伸，這歸因于LMD過程中不協(xié)調(diào)的收縮和膨脹。LMD制造產(chǎn)品中的非均相殘余應(yīng)力將不可避免地影響AM組件的機械性能，特別是其強度和延展性。一般來說，傳統(tǒng)的退火處理用于減少AM部件的殘余應(yīng)力并改變其微觀結(jié)構(gòu)，但它很難提高強度。因此，退火很少單獨使用，通常在后處理強化方法之后進(jìn)行，以去除產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而恢復(fù)延展。然而，傳統(tǒng)的后處理強化方法，如冷軋或成形，對形狀具有破壞性，而激光沖擊強化等其他方法只能處理暴露的自由表面，因此對厚或復(fù)雜形狀的樣品無效。因此，AM技術(shù)的瓶頸是缺乏有效的LMD后強化方法，這些方法對LMD制造的產(chǎn)品的凈形狀沒有破壞性。

在本文中，我們表明深低溫處理（DCT）是一種可以克服LMD制造的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）中強度延展性權(quán)衡的方法。DCT最近被提出作為一種無損方法，用于有效調(diào)整殘余應(yīng)力狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，以改善Ti和Ni合金的機械性能，例如TC6合金、超級合金和Ti-6Al-4V合金。

在此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Y.J.Huang和他的團隊采用深度低溫處理的方法對激光熔融沉積的CoCrFeMnNi高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)理，以提高其力學(xué)性能。在這項工作中，使用CoCrFeMnNi HEA作為原型合金系統(tǒng)，證明了DCT可以在LMD制造的樣品中產(chǎn)生類似的有益效果。然而，DCT應(yīng)用于LMD產(chǎn)品的具體優(yōu)點是它對產(chǎn)品形狀無損。這里選擇的CoCrFeMnNi合金是一種典型的面心立方體（FCC）HEA，不僅因其與多元素合金相關(guān)的獨特科學(xué)問題而得到了廣泛的研究，而且還因其卓越的機械性能，例如出色的斷裂韌性，優(yōu)異的低溫性能以及出色的耐腐蝕性和耐磨性。因此，一般HEAs的AM，特別是CoCrFeMnNi合金本身就是一個有趣的研究方向。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)表在金屬頂刊additive manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 6042100693X#fig0055

為達(dá)到上述目的，采用LMD技術(shù)制備了塊狀CoCrFeMnNi HEA樣品，隨后進(jìn)行不同浸泡時間的DCT。闡述了DCT對LMD制備的CoCrFeMnNi HEA殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)演變和力學(xué)性能的影響.重點在于通過顯微鏡觀察揭示低溫下變形微觀結(jié)構(gòu)的形成，以了解不同強化機制對DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品屈服強度的貢獻(xiàn)，并使用有限元建模（FEM）定量合理化殘余應(yīng)力的形成。

圖 1.散裝CoCrFeMnNi HEA樣品的增材制造：（a）LMD實驗設(shè)置的示意圖，（b）和（c）原始CoCrFeMnNi HEA粉末的SEM圖像和XRD圖案，以及（d）LMD過程中的掃描策略和殘余應(yīng)力測量點的示意圖，以及（e）DCT過程的示意圖。

圖 2.（a） XRD圖譜，其中（b）放大（111）峰和（c）竣工和DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品的殘余應(yīng)力測量（誤差條表示每種條件下重復(fù)測量五次的范圍）。

圖 3.（a） 顯示BD×TD平面上的柱狀晶粒的掃描電鏡圖像，（b）顯示晶粒尺寸分布的IPF圖，以及（c）竣工CoCrFeMnNi HEA樣品的元素分布圖。

圖4顯示了具有不同DCT浸泡持續(xù)時間的LMD制造的CoCrFeMnNi HEA樣品的EBSD和EDS結(jié)果。如圖所示。S4，DCT12h [圖4（a）]，DCT24h[圖4（b）]，DCT48h[圖4（b）]和DCT120h [圖4（d）]樣品的平均晶粒尺寸分別確定為130μm，138μm，143μm和132μm。與竣工樣品（~140 μm）相比，DCT處理樣品的平均晶粒尺寸幾乎保持不變，僅在132 μm至143 μm之間略有波動。此外，在DCT過程中沒有發(fā)生明顯的組成元素擴散偏析

圖 4.IPF圖顯示了DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品的BD×TD平面中細(xì)長顆粒，具有不同的浸泡時間（a）12小時，（b）24小時，（c）48小時和（d）120小時，以及（e）DCT120h樣品的元素分布圖，這表明在DCT過程中沒有發(fā)生元素偏析。

圖 5.（a）具有不同浸泡時間的構(gòu)建和DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品的BF-透射電鏡圖像，浸泡時間不同，為（b）12小時，（c）24小時，（d）48小時和（e，f）120小時。插圖顯示了位錯結(jié)構(gòu)、納米金針和納米顆粒的相應(yīng) SAED 模式，分別標(biāo)記為 DS（黃色箭頭）、NT（紅色箭頭）和 NG（綠色箭頭）。

圖 6.DCT120h樣品的TEM分析顯示了代表性的微觀結(jié)構(gòu)，如位錯，納米孿生，堆疊故障和納米顆粒，分別標(biāo)記為DS，NT，SF和NG。插圖顯示了L1和L3區(qū)域的相應(yīng)SAED模式，HR-TEM圖像分別顯示了L1，L2和L3區(qū)域的相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)。

圖 7.（a） 竣工和DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b） 產(chǎn)量強度的比較（σy）和失效伸長率（εf）在這項工作中獲得的FCC HEAs通過各種制備和后處理方法制造，以及增材制造的常規(guī)合金。

圖 8.總結(jié)了來自竣工和DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品的多種強化機制提供的強度貢獻(xiàn)。

圖 9.DCT過程中缺陷和殘余應(yīng)力形成的示意圖。從（i）到（ii）的冷卻導(dǎo)致燒結(jié)晶粒在低溫浸泡溫度下產(chǎn)生拉伸（T）熱應(yīng)力。在低溫浸泡（ii）至（iii）期間，在這種拉伸應(yīng)力下緩慢產(chǎn)生缺陷（標(biāo)記為黃色），部分放松拉伸應(yīng)力。在從（iii）到（iv）重新加熱到室溫時，由于缺陷的形成和相關(guān)的塑性變形，在晶粒中產(chǎn)生壓縮（C）殘余應(yīng)力。延長低溫浸泡會導(dǎo)致更多的缺陷產(chǎn)生和塑性變形，最終在狀態(tài)（iv）下會產(chǎn)生更大的壓縮殘余應(yīng)力。

圖 10.（a） 由自動網(wǎng)格劃分軟件網(wǎng)格剖分并使用ABAQUS顯示的有限元模型，（b）藍(lán)色數(shù)據(jù)點（左軸）顯示從彈性粘性塑料本構(gòu)模型預(yù)測的熱（殘余）應(yīng)力變化，在DCT過程中由綠色（右軸）的溫度 - 時間圖指示。應(yīng)力在 （a） 中 FE 模型中 LMD 塊的質(zhì)心處進(jìn)行評估。

1、原始和DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品均表現(xiàn)出單FCC相，證明了其出色的相穩(wěn)定性。此外，在DCT之前和之后，柱狀晶粒尺寸和元素分布幾乎保持不變。
2、DCT引起壓縮殘余應(yīng)力，并在竣工樣品中引入許多缺陷，包括位錯，堆疊斷層，變形納米孿生和納米顆粒。這些應(yīng)力驅(qū)動的晶體缺陷導(dǎo)致DCT處理的CoCrFeMnNi HEA樣品的強度和可塑性顯著提高。強化主要歸因于納米孿晶，對屈服強度的貢獻(xiàn)為51.0-246.8 MPa。延展性被認(rèn)為通過抑制裂紋成核和擴展的壓縮殘余應(yīng)力而增強。
3、由于初始低溫冷卻，在熱應(yīng)力狀態(tài)下，DCT工藝長時間低溫浸泡時明顯形成了缺陷。在DCT工藝結(jié)束時，由于低溫浸泡過程中的缺陷產(chǎn)生和塑性變形，在DCT工藝結(jié)束時重新加熱回室溫時會產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。