南洋理工大学|脉冲激光增材制造制备高强度和延展性的CrCoNi中熵合金

来源： 高能束加工技术及应用

来自南洋理工大学的研究人员在Materials today 期刊上发表了Pulsed-wave laser additive manufacturing of CrCoNi medium-entropy alloys with high strength and ductility。

CrCoNi 合金是最受欢迎的中高熵合金之一，以其出色的机械性能而闻名，尤其是在低温下。然而，在保持其高延展性的同时，进一步提高 CrCoNi 在室温下的屈服强度仍然具有挑战性。尽管CrCoNi合金在室温下具有较好的韧性，但其屈服强度并不高于传统高强度合金。传统制造方法所制备的CrCoNi合金屈服强度通常在300-500 MPa之间，且由于完全由较软的FCC相组成。增材制造（AM）技术，特别是激光粉末床熔化（LPBF），因其能够产生高密度位错和超细凝固结构，LPBF技术有提高CrCoNi合金强度的潜力，且不影响合金自身延展性。

在本文中，使用特制的激光粉末床熔化（L-PBF）机器，配备了200W 的SPI光纤激光源，以脉冲模式（频率 1000 kHz，脉冲时间 250 ns）打印CrCoNi合金样品。使用的是20至53微米粒度范围的CrCoNi粉末，在纯氮环境中中制备，参数设定为激光功率200W、粉末层厚度40 μm和层间扫描旋转角度为90°。通过光学显微镜观察样品表征，优化工艺参数，确保产品相对密度高于99.8%。微观结构表征使用了激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）和能谱仪（EDS）。此外，通过分子动力学模拟研究了制造过程中的微观结构演变，并通过SHIMADZU AG-X plus机器进行拉伸测试评估了样品的机械性能。为了对比，还使用商业LPBF机器（EOS M290）和不同比例的钨（W）粉末进行了额外实验，以研究脉冲激光对微观结构和机械性能的影响，以及对难熔元素合金化的有效性。

图文解析
图1展示了制备CrCoNi合金的示意图和样品微观结构特征，图1 (a)展示了制备示意图和CrCoNi合金晶格结构图。 图1(b)为脉冲激光器和连续激光器的对比示意图。图1(c)展示了从横截面看样品在不同长度尺度上的显微结构特征。图1(c)包括显示构建方向（BD）的晶粒生长图。低角度晶界（LAGB）和高角度晶界（HAGB）分布的晶界图，以及显示重叠熔池内凝固结构的显微照片。图中1(d)显示了纳米级凝固池边界的元素偏析。

图1. 脉冲激光粉末床熔合制造CrCoNi合金的示意图和样品微观结构特征。

图2展示了脉冲激光粉床熔化所制备的CrCoNi合金的拉伸性能。图2(a)展示了采用不同激光源脉冲激光粉床熔化和连续激光粉床熔化制造的CrCoNi合金的工程应力-应变曲线。图2(b)则比较脉冲激光粉床熔化制造的CrCoNi合金与其他增材制造技术制造的CrCoNi合金的屈服强度与均匀伸长率间的区别。图2(c)展示了不同舱口间距下脉冲激光粉床熔化制造的CrCoNi合金的工程应力-应变曲线并且图2(d) 展示了相应的应变硬化率曲线。

图2. 脉冲激光粉床熔化制备的CrCoNi合金的拉伸性能。

图3展示了CrCoNi合金的孪晶和加工硬化特性；图3(a)是一个亮场透射电子显微镜（BF-TEM）图像，插入了选区电子衍射（SAED）图案，显示了应变达到2%前变形孪晶的激活；图3(b)是一个背散射电子扫描电子显微镜（BSE-SEM）图像，展示了5%应变下的变形微观结构和对应的电子背散射衍射（EBSD）KAM图，后者用于表示材料中晶粒取向的变化；图3(c)是亮场透射电子显微镜（BF-TEM）图像，展示了应变达到20%时孪晶的演变；图3(d)是高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像，包含了变形孪晶和堆垛层错的网络结构。这些图像通过不同的显微镜技术揭示了CrCoNi合金在不同应变条件下的微观结构变化。

图3. 制备CrCoNi合金的孪晶和加工硬化特性。

总结
在本研究中，通过使用脉冲激光粉末床熔化（LPBF）技术制造CrCoNi中熵合金，样品有着卓越室温屈服强度约800 MPa，同时保持了37%的大均匀延伸率。与连续波激光粉末床熔化相比，脉冲激光粉末床熔化产生的额外热循环导致了凝固晶体内部更高密度的位错，这些位错不仅增强了CrCoNi合金的屈服强度，还使得整个塑性变形过程中实现了稳定的加工硬化和大塑性变形。这些发现展示了脉冲激光在激光粉末床熔化过程中的潜力，为设计新型增材制造工艺提供了宝贵的见解，并为使用脉冲激光制造其他先进合金开辟了新的可能性。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.004