金屬頂刊《Acta Materialia》：強(qiáng)度提高高57%！增材制造高強(qiáng)韌中熵合金！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文采用激光粉末床熔融( LPBF )技術(shù)對(duì)增材制造 CrCoNi合金進(jìn)行了加工。在室溫( 298 K )下，該中熵合金的屈服強(qiáng)度為σ y≈691 ± 9 MPa，抗拉強(qiáng)度為σ u≈926 ± 15.2 MPa；在低溫( 77 K )下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高到σ y⋅944 ± 6 MPa和σ u⋅1382 ± 11 MPa。這些強(qiáng)度水平比變形合金高57 %和44 %，這是由于LPBF CrCoNi中與位錯(cuò)相互交織的凝固胞狀結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的強(qiáng)化。在298 K時(shí)，裂紋啟裂斷裂韌度KJIc為183.7± 28 MPa√m；77 K時(shí)，KJIc值降低了4 % ~ 176 ± 11 MPa√m。在298 K和77 K時(shí)，LPBF CrCoNi合金的KJIc值分別比變形CrCoNi合金低11 %和35 %。采用非線性彈性斷裂力學(xué)，通過(guò)測(cè)量J積分形式的R曲線行為作為裂紋擴(kuò)展的函數(shù)，評(píng)估了LPBF Cr Co Ni的微-細(xì)觀分級(jí) 結(jié)構(gòu)的抗裂紋擴(kuò)展能力。不同長(zhǎng)度尺度下分級(jí)微結(jié)構(gòu)的具體特征為這種增材制造中熵合金的強(qiáng)韌化性能提供了基礎(chǔ)。這種變形與不同長(zhǎng)度尺度下的分級(jí)微結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性可能為提高中熵合金的斷裂韌性性能提供未來(lái)的指導(dǎo)。

" Cantor合金"及其衍生物由近等摩爾濃度的Fe、Cr、Mn、Ni和Co組成，是一類(lèi)面心立方( fcc )高、中熵合金( H / MEAs )，因其優(yōu)異的抗斷裂性能而被廣泛研究，特別是在極低溫度下。盡管fcc H / MEAs有望成為未來(lái)常溫和低溫環(huán)境下使用的結(jié)構(gòu)材料，但其較低的屈服強(qiáng)度σ y限制了其在許多工程應(yīng)用中的潛力。例如，變形Cr Co Ni在常溫下具有207 MPa√m的斷裂韌性KJIc，在77 K時(shí)提高到273 MPa√m，在20 K時(shí)達(dá)到459 MPa√m，但其屈服強(qiáng)度σ y在298 K時(shí)僅為350 ~ 440 MPa，在77 K時(shí)為657 MPa，與同樣具有高斷裂韌性的易得奧氏體不銹鋼相當(dāng)。

CrCoNi合金優(yōu)異的抗斷裂性能與裂紋尖端前長(zhǎng)時(shí)間的塑性變形有關(guān)，這是由一系列變形機(jī)制-堆垛層錯(cuò)形成、納米孿晶和在低溫下應(yīng)力誘導(dǎo)的fcc到六方密排( hcp )相變來(lái)維持的。然而，由于CrCoNi合金中只有置換固溶強(qiáng)化起作用，其屈服強(qiáng)度σ y較低。傳統(tǒng)的強(qiáng)化金屬材料的方法，如減小晶粒尺寸或采用沉淀硬化，雖然有效，但由于強(qiáng)度和韌性之間固有的矛盾，它們可能會(huì)對(duì)斷裂韌性產(chǎn)生不利影響。這種權(quán)衡主要是因?yàn)楦叩臄嗔秧g性要求裂紋尖端前方具有持續(xù)的塑性，這更容易通過(guò)較低的屈服強(qiáng)度σ y來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的限制位錯(cuò)可動(dòng)性的強(qiáng)化機(jī)制可以限制裂紋尖端的位錯(cuò)輔助鈍化，從而在較低的應(yīng)力強(qiáng)度因子( K )下促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。為了同時(shí)提高強(qiáng)度和斷裂韌性，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)確實(shí)需要被限制以獲得強(qiáng)度，但不能完全停止，以便它們能夠?qū)�損傷分布到遠(yuǎn)離裂紋尖端的地方，并保持?jǐn)嗔芽沽Α?br />
增材制造( AM )工藝，如激光粉末床熔覆( LPBF )，通過(guò)引入微觀和介觀尺度的 結(jié)構(gòu)，可以提供一種替代的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路徑，以克服強(qiáng)度和韌性的權(quán)衡，這些結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是分層的，并已被證明可以在增強(qiáng)材料的同時(shí)保持(在某些情況下,增強(qiáng))的斷裂韌性和損傷容限。LPBF處理合金中的這些分級(jí)結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)成分逐行逐層"自下而上"制造的結(jié)果，這些結(jié)構(gòu)成分是激光掃描軌跡、熔池和凝固胞狀組織。激光掃描軌跡的寬度和熔池的深度控制著晶粒的尺寸、形貌和織構(gòu)。在快速凝固過(guò)程中，由于成分過(guò)冷引起的溶質(zhì)偏析形成了凝固胞狀組織，這是LPBF所固有的。此外，由于在構(gòu)建過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的熱循環(huán)，位錯(cuò)碎片被偏析的合金元素釘扎，從而裝飾了晶胞邊界。通過(guò)改變工藝參數(shù)組合，可以控制這些晶胞的尺寸在0.2 - 10 µ m范圍內(nèi)，其形狀可以通過(guò)控制熔池內(nèi)部最大熱梯度的方向來(lái)控制。這些位錯(cuò)胞是有趣的，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)泰勒硬化作用來(lái)強(qiáng)化材料。此外，它們促進(jìn)了多種變形機(jī)制，并允許位錯(cuò)在應(yīng)變硬化的后期階段移動(dòng)，從而保持了材料的塑性。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Robert O. Ritchie研究團(tuán)隊(duì)研究了亞微米位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的LPBF Cr Co Ni合金的拉伸和斷裂性能，以探討以下問(wèn)題：( i )位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)對(duì)同時(shí)提高Cr Co Ni合金強(qiáng)度和斷裂韌性的有效性；( ii )它們是否能促進(jìn)裂紋擴(kuò)展阻力，即R曲線行為；( iii )盡管CrCoNi合金的斷裂是由應(yīng)變控制的微孔聚合過(guò)程，但由LPBF工藝產(chǎn)生的多級(jí)微/介觀 結(jié)構(gòu)是否可以通過(guò)賦予裂紋路徑的曲折度來(lái)產(chǎn)生額外的外在增韌，這已被報(bào)道用于LPBF生產(chǎn)的沉淀硬化和高強(qiáng)度材料。相關(guān)研究成果以題為“On the strength and fracture toughness of an additive manufactured CrCoNi medium-entropy alloy”發(fā)表在期刊Acta Materialia上。

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圖1( A ) CrCoNi樣品LPBF工藝掃描策略。( B )緊湊拉伸試樣C ( T )和拉伸試樣相對(duì)于構(gòu)建板的相對(duì)取向，其中Z軸平行于構(gòu)建方向( BD )，Y軸平行于掃描方向( SD )，X軸平行于橫向( TD )。( C ) C ( T )試樣尺寸和( D )拉伸試樣尺寸。如圖。C和D，所有尺寸均為mm。

圖2 .( A )具有代表性的3D微結(jié)構(gòu)顯示激光掃描軌跡(白色點(diǎn)線條)在平行于成形方向的平面上，BD和熔池在垂直于成形方向的平面上，即掃描和橫向方向，SD和TD。( B )電子背散射衍射( EBSD )獲得的3 - D代表反極圖( IPF )圖顯示激光掃描軌跡內(nèi)部存在多個(gè)晶粒，在SD和TD平面上存在柱狀晶。( C )高倍腐蝕圖像顯示出跨越多個(gè)熔池邊界的異常晶粒生長(zhǎng)。紅色箭頭指示了熔池內(nèi)部胞狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的方向。( D )透射電子顯微鏡( TEM )圖像顯示了晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的胞狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3 .( A )在298 K和77 K溫度下對(duì)試樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，得到工程應(yīng)力S -工程應(yīng)變e曲線。( B )代表真應(yīng)力，σvs.真應(yīng)變，ε和瞬時(shí)應(yīng)變硬化率，dσ / dεvs.真應(yīng)變，ε曲線在298和77K測(cè)試的樣品。( C )在298 K和77 K下測(cè)試的LPBF Cr Co Ni試樣的抗裂曲線( R曲線)。

圖4 .在( A ) 298 K和( B ) 77 K下，拉伸試樣的掃描電子顯微鏡( SEM )斷口圖顯示微孔聚集。

圖5 .C ( T )試樣在( A ) 298K和( B ) 77K斷裂韌性測(cè)量后的SEM斷口圖。圖中用紅色點(diǎn)線、Ⅰ和Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示區(qū)域的放大圖像。A和B位于圖像的最底層。圖5A、B為超載破壞試樣的斷口形貌照片。這些斷裂面具有微孔的雙峰分布，具有較大的尺寸( ~72 ± 18 µ m )和較小的尺寸( ~ 0.4 ± 0.2 µ m )。較大的微孔尺寸與激光掃描軌跡的寬度相近，即在BD平面上測(cè)量的~69 ± 9 µ m (圖2B )。在這些大的微孔洞(例如,在圖5A和B中的位置Ⅱ和Ⅲ)的底部，可以觀察到一個(gè)似解理斷裂，其表面具有緊密間隔的線條，寬度為~0.8 ± 0.3 µ m。

圖6 .TEM圖像顯示，在298K時(shí)，( A )〈111〉平面滑移穿過(guò)試樣裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)部的胞狀邊界。( B )在77 K溫度下測(cè)試的試樣裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)部的胞狀結(jié)構(gòu)和相對(duì)較高的位錯(cuò)密度。

圖7 .電子背散射( EBSD )逆極圖( IPF )顯示了過(guò)載斷裂時(shí)裂紋的路徑以及裂紋與微觀組織的相互作用。在( A ) 298 K，( B ) 77 K下，斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展起始位置的IPF圖。( C ) 298 K斷裂韌性測(cè)試過(guò)程中裂紋止裂位置的IPF圖。在所有三個(gè)試樣中，裂紋尖端附近的激光掃描軌跡的取向是不同的，這是由于層與層之間的67 °掃描旋轉(zhuǎn)和4 × 4 ° mm2島的棋盤(pán)圖案。在每個(gè)圖中，圖像中的白色點(diǎn)線顯示了激光掃描軌跡的邊界。這些試樣的斷裂韌度KJIc分別為( A ) 216 MPa√m，( B ) 185 MPa√m，( C ) 167 MPa√m。

圖8 .在( A ) 298K和( B ) 77K測(cè)試的試樣中，SEM斷口顯示了由激光掃描軌跡引起的裂紋路徑的曲折性。在圖( B )中，具有白色點(diǎn)線的矩形顯示了拉伸區(qū)的二次裂紋，表明了非本征增韌。紅色雙箭頭線顯示了斷裂后激光掃描軌跡的殘留。

在298 K和77 K下，與傳統(tǒng)制備的CrCoNi相比，LPBF工藝制備的CrCoNi樣品的強(qiáng)度有所提高。此外，在298 K和77 K下，盡管屈服強(qiáng)度顯著提高，但仍保持了理想的斷裂韌性。這項(xiàng)研究表明，增材制造( AM )工藝可能是解決韌性材料強(qiáng)度和韌性折衷的可行方法。本文的主要結(jié)論有：
1、AM誘導(dǎo)的分級(jí)結(jié)構(gòu)同時(shí)增強(qiáng)和增韌了LPBF Cr Co Ni。位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)提高了屈服強(qiáng)度，而裂紋更傾向于沿著激光軌跡邊界擴(kuò)展，提供了裂紋路徑迂曲的外在增韌。
2、在CrCoNi的LPBF加工過(guò)程中拾取的間隙O似乎抑制了塑性變形過(guò)程中的納米孿晶和堆垛層錯(cuò)的形成。
3、減少沿構(gòu)建方向具有〈110〉織構(gòu)的畸變晶粒數(shù)量，減少間隙O以激活變形機(jī)制納米孿晶和堆垛層錯(cuò)的形成，可進(jìn)一步提高LPBF Cr Co Ni合金的斷裂韌性。