(三/上)硬度、拉伸性能 l 机械性能 l 3D打印HEA高熵合金:微观结构和性能综述

谷专栏

一般来说,3D打印-增材制造零件的机械强度取决于密度和微观结构。与通过传统路线(例如铸造)生产的零件相比,AM-增材制造生产的零件具有更精细的微观结构,其机械性能优于同类产品。到目前为止,AM HEAs高熵合金的力学性能已经从硬度、拉伸和压缩测试等方面进行了研究,通过HIP热等静压、固溶处理和时效等后处理可以通过消除现有的冶金缺陷和增材制造金属材料中的残余应力。

谷.专栏将结合发表在《Materials&Design》上的论文《Additive manufactured high entropy alloys: A review of the microstructure and properties》这篇论文深度剖析增材制造 HEA 的微观结构,上期内容涵盖元素分布、相、后处理方面的微观结构介绍,本期内容将涵盖硬度和拉伸性能相关的机械性能研究。

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block 显微硬度

研究发现3D打印-增材制造的HEA高熵合金,一般来说,具有 BCC 相结构的 HEA(例如 MoNbTaW)的硬度高于具有 FCC 相的 HEA(例如 CoCrFeNi)的硬度。

HEA 中 BCC 相的较高固溶体硬化源于与 FCC 相相比较大的晶格畸变。随着 Al 含量的增加,由于 BCC/B2 相与 FCC/L12 相的比例增加,LMD 激光熔覆3D打印沉积的分级 AlxCrCuFeNi2 HEA 的显微硬度逐渐增加,研究表明与 FCC/相比,BCC/B2 结构更硬。

当接近样品底部时,EBM电子束熔融3D打印制造的 AlCoCrFeNi HEA高熵合金的硬度逐渐降低,这是由于 FCC 相的部分增加所致。

对于由具有不同 Al 浓度的 LMD 激光熔覆3D打印制造的 AlCoCrFeNi HEA高熵合金,也观察到了类似的硬度变化趋势。

据报道,由于微观结构逐渐从树枝状晶粒变为柱状晶粒,SLM选区激光金属熔化3D打印的 AlCoCrFeNi HEA 的硬度从 670 HV 降低到 149 HV,Al/Ni 比降低。请注意,SLM选区激光金属熔融3D打印、LMD激光熔覆3D打印、EBM选区电子束熔融3D打印和 WAAM电弧增材制造的 AlCoCrFeNi HEA 之间的硬度没有显着差异。

研究人员通过 LMD 制造了 AlxCoCu1-xFeNi HEA高熵合金,具有不同的 Al 和 Cu 含量。所生产的三种 HEA 的最高硬度值 (x = 0.25, 0.5, 0.75) 在试样的顶部区域获得,平均值分别为 426.3 HV、519.4 HV 和 541.1 HV。

对于 LMD 构建的成分NbTaTiZr HEA高熵合金,富含 Nb 区域的硬度最低,为 220 HV0.1,而随着 Zr 浓度的增加,硬度增加到 400 HV0.1。

LMD 制造的MoNbTaWx HEA高熵合金的显微硬度也显示出随着 W 含量的增加而增加的趋势。

另有研究发现LMD激光熔覆3D打印技术构建的 AlCrFeMoV HEA高熵合金由于添加 V 而提高的硬度,当 V 含量从 0.3 at.% 增加到 18.5 at.% 时,硬度从 485 HV 增加到 581 HV,归因于固溶强化机制。

除了以上因素可以影响高熵合金的硬度,还有研究发现3D打印加工过程中对硬度的影响因素,例如研究发现SLM选区金属熔融3D打印过程中激光的输入能量与制造的 CoCrFeNi 硬度之间的关系。观察到随着输入能量在 100 ~ 750 J·mm-3 范围内,硬度首先从 247 HV 增加到 276 HV,然后随着输入能量的进一步增加,硬度下降到 233 HV,这是由于增强的影响。

另有研究通过 SLM 选区金属熔融3D打印制备 CoCrFeNiC0.05 HEA高熵合金并测试不同相的硬度。结果表明,所获得的 HEA高熵合金样品中新形成的碳化物相具有比 FCC 基体 (440 HV) 显着更高的硬度 (1157 HV),这通常被认为可以提高机械强度。

此外,通过LMD激光熔覆3D打印技术对具有不同难熔金属和合金(Nb、Ta 和 Ti-6Al-4V)进行加工,然后对加工出来的CoCrFeMnNi HEA高熵合金进行了系统的成分-硬度研究。通常,随着各自难熔金属的添加,每个 HEA高熵合金样品的硬度都显示出逐渐的增加。

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block 拉伸性能

通过不同的增材制造技术和选择的加工参数所获得的微观结构差异很大,同一成分组成的HEA高熵合金(例如 AlCoCrFeNi)的拉伸性能差异很大。一般来说,AM-增材制造工艺生产的HEA高熵合金样品的各向异性微观结构相对于构建方向通常表现出明显的纹理,表现出各向异性拉伸性能,并且显着取决于晶粒取向。

在通过LMD激光熔覆3D打印技术制造的 CoCrFeMnNi HEA 的拉伸试验中,与铸造工艺相比,表现出更高的屈服强度和延展性。

此外,CoCrFeMnNi高熵合金试样的机械性能可以通过改变微观结构的激光功率和扫描策略来调整。根据研究报告,随着激光功率从 1000 W 增加到 1400 W,与铸态合金相比,其机械性能也更好。

另有研究观察到单向沉积 1000 W 和 1200 W 试样的扫描方向和沉积方向之间塑性变形的强各向异性,这与底部粗柱状晶粒沿热流方向的强织构有关。相反,研究观察到 1400 W 样品的扫描和沉积方向的各向同性塑性变形是由于细柱状晶和等轴晶,没有明显的择优取向。

研究发现SLM 打印的 CoCrFeNi HEA 具有高强度和良好的延展性。值得一提的是,屈服强度是其铸造等效值的三倍 。

另有研究通过LMD激光熔覆3D打印技术制造的CoCrFeNiNbx HEA高熵合金,CoCrFeNi (x = 0) 样品的伸长率高达 92.5%,达到了迄今为止报道的所有增材制造 HEA 的最高值。同时,与铸态对应物相比,CoCrFeNiNb0.1 样品的强度和延展性均有所提高。从拉伸试样的断裂形态来看,在沉积的 CoCrFeNi (x = 0) HEA高熵合金中可以观察到许多深凹坑,表明典型的韧性断裂。在添加 Nb 时观察到由凹坑和凸起边缘组成的混合断裂模式,这是由有序 Laves 相的形成引起的。

此外,有研究发现LMD激光熔覆3D打印技术沉积的 CoCrFeMnNi HEA高熵合金的拉伸变形过程主要伴随着变形孪晶的位错活动,导致拉伸强度与细晶粒锻造退火对应结果相当。

而对于 SLM选区激光熔融3D打印技术制造的Co20Cr15Cu1.5Fe38.5Mn20Si5 HEA高熵合金,尽管含有 1.5 vol% 的微裂纹和孔隙,但由于变形诱导相变产生的持续 WHR,样品表现出优异的强度-延展性协同作用(分别为 1235 MPa 和 17.2%)。

通过对 SLM选区激光熔融3D打印技术制造的细晶粒 Cr4Fe9Ni6TiW HEA高熵合金的机械性能进行的系统研究。发现分散在晶粒内部和晶界的纳米级颗粒具有阻挡位错和储存位错的双重目的,从而减轻了沿晶断裂的倾向,从而增加了失效前的总伸长率。

此外,一些研究人员试图添加间隙元素来制备 HEA 复合材料以提高其强度。通过控制 TiC 的添加量,可以获得具有一定增强机械性能的 LMD激光熔覆3D打印制造的 CoCrFeMnNi基 HEA高熵合金。添加 5 wt.% TiC 时,合金的拉伸强度和应变分别为 723 MPa 和 32%,而未添加 TiC 的样品为 550 MPa 和 50%。

类似地,通过添加 TiN 和 WC,CoCrFeMnNi HEA 的抗拉强度增加,延展性降低,有研究发现间隙溶质强化 CoCrFeMn HEA 的出色强度-延展性协同作用,通过位错滑移、变形缠绕和相变的组合效应超过了大多数 SLM 打印的常规合金。

另有研究报道了SLM选区激光熔融3D打印技术制造的C掺杂的CoCrFeMnNi HEA高熵合金,具有抗拉强度和伸长率分别在 768~989 MPa 和 24.3~51.6 % 范围内。由于有序氮复合物的形成,间隙N原子掺杂到这种 CoCrFeMnNi HEA高熵合金中也同时提高了强度和延展性。此外,还发现添加 Si 有利于提高增材制造的 HEA 的机械性能。

类似的研究还包括在SLM选区激光熔融3D打印过程中将Si粉末添加到亚稳态 Fe50Mn30Co10Cr10 粉末中。结果表明,含Si亚稳HEA高熵合金的强度随着Si的增加而逐渐增加,总伸长率逐渐增加,仍能达到30%以上。这种强度-延展性权衡是因为 Si 增加了Fe50Mn30Co10Cr10 HEA 中 FCC 相的亚稳定性,促进了相变诱导的塑性以调整拉伸变形过程中的孪晶应变。

另一种亚稳态HEA高熵合金,即 Fe60Co15Ni15Cr10,显示出比其他 SLM 制造的HEA高熵合金高得多的 69.5% 的伸长率,同时具有可接受的强度。

最近的前沿研究包括使用不同的3D打印-增材制造技术制造共晶HEA 高熵合金。由于超细的共晶层间距和层状菌落,SLM选区激光熔融3D打印的Al18Co30Cr10Mo1Ni30W1共晶HEA高熵合金表现出优异的力学性能,室温屈服强度和极限抗拉强度,均匀伸长率分别在1000 MPa、1400 MPa和20%左右,达到最高所有3D打印-增材制造的 HEA 的强度,这表明共晶 HEA高熵合金在增材制造领域具有巨大的应用前景。

更多深入分析3D打印HEA材料的分析,请持续关注后续内容,下期将聚焦介绍3D打印HEA材料的机械性能方面有关抗压性能、低温和高温特性、蠕变行为、后处理效果等方面的研究。

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