南洋理工大學|脈沖激光增材制造制備高強度和延展性的CrCoNi中熵合金
來自南洋理工大學的研究人員在Materials today 期刊上發表了Pulsed-wave laser additive manufacturing of CrCoNi medium-entropy alloys with high strength and ductility。
CrCoNi 合金是最受歡迎的中高熵合金之一，以其出色的機械性能而聞名，尤其是在低溫下。然而，在保持其高延展性的同時，進一步提高 CrCoNi 在室溫下的屈服強度仍然具有挑戰性。盡管CrCoNi合金在室溫下具有較好的韌性，但其屈服強度并不高于傳統高強度合金。傳統制造方法所制備的CrCoNi合金屈服強度通常在300-500 MPa之間，且由于完全由較軟的FCC相組成。增材制造（AM）技術，特別是激光粉末床熔化（LPBF），因其能夠產生高密度位錯和超細凝固結構，LPBF技術有提高CrCoNi合金強度的潛力，且不影響合金自身延展性。
在本文中，使用特制的激光粉末床熔化（L-PBF）機器，配備了200W 的SPI光纖激光源，以脈沖模式（頻率 1000 kHz，脈沖時間 250 ns）打印CrCoNi合金樣品。使用的是20至53微米粒度范圍的CrCoNi粉末，在純氮環境中中制備，參數設定為激光功率200W、粉末層厚度40 μm和層間掃描旋轉角度為90°。通過光學顯微鏡觀察樣品表征，優化工藝參數，確保產品相對密度高于99.8%。微觀結構表征使用了激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子背散射衍射（EBSD）和能譜儀（EDS）。此外，通過分子動力學模擬研究了制造過程中的微觀結構演變，并通過SHIMADZU AG-X plus機器進行拉伸測試評估了樣品的機械性能。為了對比，還使用商業LPBF機器（EOS M290）和不同比例的鎢（W）粉末進行了額外實驗，以研究脈沖激光對微觀結構和機械性能的影響，以及對難熔元素合金化的有效性。
圖文解析
圖1展示了制備CrCoNi合金的示意圖和樣品微觀結構特征，圖1 (a)展示了制備示意圖和CrCoNi合金晶格結構圖。 圖1(b)為脈沖激光器和連續激光器的對比示意圖。圖1(c)展示了從橫截面看樣品在不同長度尺度上的顯微結構特征。圖1(c)包括顯示構建方向（BD）的晶粒生長圖。低角度晶界（LAGB）和高角度晶界（HAGB）分布的晶界圖，以及顯示重疊熔池內凝固結構的顯微照片。圖中1(d)顯示了納米級凝固池邊界的元素偏析。
圖2展示了脈沖激光粉床熔化所制備的CrCoNi合金的拉伸性能。圖2(a)展示了采用不同激光源脈沖激光粉床熔化和連續激光粉床熔化制造的CrCoNi合金的工程應力-應變曲線。圖2(b)則比較脈沖激光粉床熔化制造的CrCoNi合金與其他增材制造技術制造的CrCoNi合金的屈服強度與均勻伸長率間的區別。圖2(c)展示了不同艙口間距下脈沖激光粉床熔化制造的CrCoNi合金的工程應力-應變曲線并且圖2(d) 展示了相應的應變硬化率曲線。
圖3展示了CrCoNi合金的孿晶和加工硬化特性；圖3(a)是一個亮場透射電子顯微鏡（BF-TEM）圖像，插入了選區電子衍射（SAED）圖案，顯示了應變達到2%前變形孿晶的激活；圖3(b)是一個背散射電子掃描電子顯微鏡（BSE-SEM）圖像，展示了5%應變下的變形微觀結構和對應的電子背散射衍射（EBSD）KAM圖，后者用于表示材料中晶粒取向的變化；圖3(c)是亮場透射電子顯微鏡（BF-TEM）圖像，展示了應變達到20%時孿晶的演變；圖3(d)是高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像，包含了變形孿晶和堆垛層錯的網絡結構。這些圖像通過不同的顯微鏡技術揭示了CrCoNi合金在不同應變條件下的微觀結構變化。
總結
在本研究中，通過使用脈沖激光粉末床熔化（LPBF）技術制造CrCoNi中熵合金，樣品有著卓越室溫屈服強度約800 MPa，同時保持了37%的大均勻延伸率。與連續波激光粉末床熔化相比，脈沖激光粉末床熔化產生的額外熱循環導致了凝固晶體內部更高密度的位錯，這些位錯不僅增強了CrCoNi合金的屈服強度，還使得整個塑性變形過程中實現了穩定的加工硬化和大塑性變形。這些發現展示了脈沖激光在激光粉末床熔化過程中的潛力，為設計新型增材制造工藝提供了寶貴的見解，并為使用脈沖激光制造其他先進合金開辟了新的可能性。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.004
(責任編輯：admin)
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