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        將應變輔助納米沉淀技術與納米孿晶技術相結合,以提高激光增材制造的高熵合金的強度

        《Materials Characterization》:Combining strain-assisted nanoprecipitation with nanotwins to enhance strength of laser additively manufactured high-entropy alloys

        【字體: 時間:2026年03月01日 來源:Materials Characterization 5.5

        編輯推薦:

          激光增材制造CrMnFeCoNi高熵合金經深冷循環處理后高溫時效,納米析出物與納米孿晶梯度分布協同提升底部區域強度達370 MPa,但塑性下降9%。基于經典成核理論推導析出物體積分數模型,揭示應變能最小化主導析出過程,驗證納米結構協同強化機制。

          
        袁天|盧迪|王偉奇|盧云卓|R. Lakshmi Narayan
        大連交通大學材料科學與工程學院,中國大連116028

        摘要

        通過反復交替的深冷處理(DCT)和室溫浸泡循環,在激光定向能量沉積(L-DED)制備的CrMnFeCoNi高熵合金(HEA)中產生了應力介導的納米孿晶形核,這同時提高了其強度和延展性。本研究探討了在773 K下時效處理后,原始構建和經過DCT循環處理的L-DED制備的HEA的微觀結構演變和機械性能。經過480小時的時效處理后,DCT循環處理的HEA的頂部、中部和底部分別形成了0.69%、1.69%和2.20%體積分數的復雜Cr富集和NiMn富集的納米沉淀物,這與其中納米孿晶體積分數(V_T)的梯度非常吻合。相比之下,原始構建的時效處理樣品的所有部分中納米沉淀物的體積分數(f_np)顯著較低。480小時時效處理的DCT循環處理HEA的底部部分的屈服強度和抗拉強度分別為726 ± 18 MPa和909 ± 13 MPa,比頂部部分高出約370 MPa和337 MPa。盡管底部部分f_np的增加提高了強度,但其延展性降低了約9%。研究表明,時效過程中晶格應變能的減小促進了納米沉淀物的形成;隨后從經典成核理論推導出了估算納米孿晶附近f_np的解析表達式。通過對不同微觀結構特征強化貢獻的定量分析,發現沉淀物的強化作用提高了屈服強度。本文還討論了這些結果在同時提高強度和延展性方面的意義以及一些未解決的問題。

        引言

        激光定向能量沉積(L-DED)是制造CrMnFeCoNi高熵合金(HEA)的首選方法,因為它能夠制備出大型且形狀復雜的部件,并且具有較高的“從原材料到成品”的轉化率。這一點尤為重要,因為該合金含有高比例的昂貴成分,接近凈形狀的制造對于減少材料浪費和生產成本至關重要[[1], [2], [3]]。然而,盡管L-DED制備的CrMnFeCoNi在77 K時的屈服強度和抗拉強度分別達到了450 MPa和860 MPa[4],但其室溫下的屈服強度和抗拉強度卻低了40-50%。這種低溫和室溫之間顯著的強度差異一直是阻礙L-DED制備的CrMnFeCoNi廣泛應用的主要挑戰。對于同樣存在室溫與低溫強度差異的弧熔法制備的CrMnFeCoNi[5], [6], [7], [8],已經采取了幾種強化策略,如添加固溶體中的微觀成分[9]、晶粒細化[10]、原位納米孿晶成核[11]以及設計缺陷異質結構來提高強度,同時不犧牲延展性。這些策略的基本前提是通過設計和優化微觀結構屏障(如溶質、晶界、孿晶界和亞晶界)的含量來阻礙位錯的運動。
        然而,在上述所有策略中,除了在L-DED過程中添加微觀成分的情況外,都需要對材料進行預處理或后處理變形以形成這些微觀結構屏障。由于L-DED制備的部件已經是接近凈形狀的,因此無法在這些部件上實施這些策略,這突顯了迫切需要開發專門針對L-DED制備的HEA的無變形強化策略。一些替代策略包括與HEA共沉積另一種合金或增強材料[12], [13], [14], [15],修改HEA的成分[16],調整L-DED加工參數以在HEA中獲得獨特的介觀尺度缺陷結構[17], [18], [19], [20], [21],以及進行后處理熱處理以微調HEA的固有缺陷結構[22], [23], [24], [25]。在一些先前的研究中,采用了后處理熱處理策略,即將原始構建的L-DED制備的HEA暴露在低溫下不同時間[26]。另一種方法是使原始構建的HEA在多個循環中分別反復暴露在低溫和室溫下各12小時[27]。這兩種處理分別稱為深冷浸泡(DCS)和循環深冷處理(DCT)。這些處理的基本原理是,L-DED制備的合金在建造方向上具有殘余應力梯度,當暴露在低溫下時,底部和中部會產生額外的壓縮應力,從而導致納米孿晶的形成。這些納米孿晶的形成機制在之前的研究中已有詳細討論[27]。由于納米孿晶是有效的位錯運動屏障,因此含有它們的部分比其他部分具有更高的強度。此外,這些納米孿晶通過局部重新定向晶體來促進位錯之間的相互作用,從而增強了應變硬化效應,進而提高了延展性。
        隨著這些深冷處理的成功實施,它們同時提高了L-DED制備的CrMnFeCoNi的強度和延展性,因此值得研究相反方向的熱處理效果,即在較高溫度下的時效處理是否類似。Otto等人的最新研究[28]表明,通常在較高溫度下穩定的CrMnFeCoNi合金在773-973 K的中等溫度下時效處理會分解形成納米尺度相。觀察到其中一些相(如Cr富集的σ相和FeCo富集的相)會導致脆化,而其他相則有助于增強合金的強度[28]。在這種情況下,研究通過在DCT循環處理的LPBF制備的CrMnFeCoNi構建過程中通過時效引入納米沉淀物,是否可以在不顯著損失延展性的情況下進一步提高其強度是很有意義的。
        受此啟發,我們對在773 K下經過240小時和480小時DCT循環處理的CrMnFeCoNi HEA進行了時效處理,并研究了構建不同部分的微觀結構演變和機械性能。作為參考,還評估了在773 K下直接時效處理480小時的原始構建HEA的微觀結構和機械性能。選擇這樣的時效溫度和暴露時間是為了確保DCT循環處理的HEA保留納米孿晶,并且不會形成脆性的Cr富集σ相和FeCo富集相。
        本研究重點關注通過激光增材制造制備的HEA中納米孿晶體積分數(V_T)、納米沉淀物體積分數(f_np)與機械性能之間的相關性。研究表明,納米孿晶附近的沉淀物增強效應歸因于應變能的減小。提出了一個解析框架,用于定量捕捉應變能函數下的f_np變化。此外,系統評估了納米沉淀物和納米孿晶對合金強度-延展性平衡的協同效應。構建不同位置的屈服強度變化歸因于f_np和V_T的變化,并定量估算了不同微觀結構特征的各自貢獻。最后,討論了通過梯度強化方法[29]提高時效處理DCT循環HEA延展性的可能性,并總結了本研究的局限性以及未解決的問題。這項工作不僅推進了對增材制造HEA微觀結構-性能相關性的基本理解,還為結構工程應用中L-DED制備部件的性能提升提供了一條可擴展的無變形途徑。

        激光定向能量沉積(L-DED)

        作為L-DED過程的原材料,使用了由中原先進材料有限公司提供的純度為99.9%的CrMnFeCoNi粉末。該粉末的粒徑范圍為45-105 μm,平均粒徑為55 μm,如圖S1所示,具有近似球形形態。CrMnFeCoNi HEA的構建使用了配備6 kW光纖激光器(YSL-6000,IPG,德國)的同軸粉末供給增材制造工作站(LDM-8060,Raycham)。

        原始構建和DCT處理后的L-DED制備HEA的殘余應力分布和微觀結構

        原始構建和DCT處理樣品的BD-SD平面上的表面殘余應力圖分別顯示在圖2a和b中。從這些圖中提取了兩個樣品中心的表面殘余應力分布,并在圖2c中繪制(相關數值總結在表S1中)。在原始構建樣品中,與基底接觸的底部的殘余應力為-250 MPa。隨著高度的增加,殘余應力逐漸增加,在頂部達到260 MPa。

        L-DED制備HEA的殘余應力及缺陷演變

        L-DED過程中以及DCT后HEA構建中殘余應力及其分布的演變在之前的研究[27]中有詳細描述,總結如下:L-DED制造過程涉及基底和HEA粉末的熔化,形成熔池。在凝固過程中,熔池中的液體收縮,但受到周圍基底的約束,從而導致熔池中產生拉應力,而在基底中產生壓應力

        結論

        本研究調查了DCT循環誘導的納米孿晶形成和時效誘導的納米沉淀共同作用對L-DED制備的CrMnFeCoNi HEA機械性能的影響。本研究的主要發現總結如下:L-DED制造過程中引入的熱梯度在構建物的頂部和底部產生了殘余應力梯度。DCT循環在整個構建物上疊加了壓應力,進而

        CRediT作者貢獻聲明

        袁天:寫作——審稿與編輯、初稿撰寫、驗證、方法論、研究、數據分析、數據管理。盧迪:資源提供。王偉奇:資源提供。盧云卓:寫作——審稿與編輯、初稿撰寫、監督、資源管理、項目協調、方法論制定、資金獲取、概念構思。R. Lakshmi Narayan:寫作——審稿與編輯、初稿撰寫、驗證、監督、項目協調、數據分析。

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的財務利益或個人關系。

        致謝

        本研究得到了國家重點研發計劃(項目編號:2023YFB3408101)和國家自然科學基金(項目編號:52271022)的支持。RLN感謝德里IIT中央研究設施的支持。
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