《Scripta Materialia》：通過調(diào)控殘余應(yīng)力提高增材制造CoCrMo合金的延展性

來源： 浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院

CoCrMo（CCM）合金通常由面心立方（FCC）和密排六方（HCP）相結(jié)構(gòu)組成。由于其良好的生物相容性和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，該合金已成功應(yīng)用于骨科植入物和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件。作為主流的增材制造（AM）技術(shù)之一，激光粉末床熔融（LPBF）能夠以最低的工裝成本和材料消耗生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件。研究表明，與傳統(tǒng)制造方法相比，LPBF制造的CCM合金具有更高的屈服強(qiáng)度。這種強(qiáng)化機(jī)制歸因于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，包括高密度晶格缺陷、密排六方相結(jié)構(gòu)和生成的析出物。然而，密排六方相在FCC/HCP相界面上具有較高的應(yīng)變局部化傾向，這導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致LPBF制造的CCM合金過早失效。

為了克服LPBF制造的CCM合金延展性不足的問題，研究人員探索了多種方法，如采用新的掃描策略、調(diào)整化學(xué)成分以及進(jìn)行后熱處理來調(diào)控FCC/HCP相結(jié)構(gòu)。

本研究提出了一種新的策略，可以有效提高LPBF制造的CCM合金（LPBF CCM）的延展性，同時(shí)不降低其屈服強(qiáng)度。通過調(diào)整應(yīng)用的激光加工參數(shù)，可以調(diào)控殘余應(yīng)力水平。低殘余應(yīng)力水平的LPBF CCM合金在高殘余應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出廣泛的晶格錯(cuò)動(dòng)，以維持較大的塑性變形，而不是大量的位錯(cuò)增殖和積累，從而避免了嚴(yán)重的應(yīng)力集中和過早失效的問題。后續(xù)進(jìn)行的低溫退火處理研究驗(yàn)證了殘余應(yīng)力對(duì)LPBF CCM合金延展性的影響，并進(jìn)一步將延展性提高至20%。該研究結(jié)果為未來的激光加工參數(shù)開發(fā)和相關(guān)的后續(xù)熱處理優(yōu)化提供了啟示，以制造高性能的LPBF CCM合金。

這項(xiàng)研究成果以題為《Ductility enhancement of additively manufactured CoCrMo alloy via residual stress tailored high stacking fault probability》發(fā)表在期刊Scripta Materialia上。

圖1. LPBF制造的低能量密度（LED）（a-e）和高能量密度(HED)（f-j）樣品的微觀結(jié)構(gòu)表征。

圖2. LPBF制造的LED和HED樣品的拉伸性能。

圖3. LPBF制造的LED和HED樣品的拉伸變形行為表征。

圖4 . LED和HED樣品在熱處理時(shí)的殘余應(yīng)力和拉伸性能演變。