解析：高熵合金FeCoCrNiMn的增材制造工藝
時間：2022-10-11 09:17 來源：增材研究 作者：admin 閱讀：次
FeCoCrNiMn雖然是最早發現的高熵合金之一，但人們對其的研究始終沒有停止。為了得到FeCoCrNiMn的精密零件或涂層，增材制造是目前最優選擇。發揮增材制造的特有優勢，是設備使用者們的不斷追求。
一、等離子熔覆（PTA）
等離子熔覆（PTA）是制備較厚高熵合金涂層的優選方案。武漢大學與華中農業大學聯合團隊研究了如何通過工藝調整得到期望的FeCoCrNiMn涂層。團隊以65Mn作為基體，熔覆電流分別為110A、130A、150A、170A、190A進行試驗。隨著電流增大，枝晶間組織（ID）變大變平整，電流變化對元素擴散有顯著影響。
二、選區激光熔融（SLM）：
選區激光熔融（SLM）是增材制造技術中的一種粉末床熔融制備方式。SLM的工藝變化可以調控合金的微觀結構。
中南大學與中國建材總院聯合團隊近期開展了SLM制備FeCoCrNiMn的工藝研究。試樣成分為：21.69 Fe-20.26 Co-19.43 Cr-20.45 Ni-16.83 Mn-0.92 N-0.42 Si (at%)。改變掃描偏轉角度（45°、67 °、 90°），保持恒定的掃描速度（800 mm/s）、層厚（40 μm）和激光間距（80 μm）來制備三組樣品。
三組樣品都觀察到明顯的位錯胞結構。相較于R45樣品，R67和R90樣品具有高位錯密度，胞壁和胞的內部都有大量的位錯纏結。
選用45°激光掃描偏轉角度制備的樣品中90°枝晶生長模式和扁平的熔池輪廓， 因而其微觀結構呈現明顯的柱狀樹枝晶的外延生長。并且，R45 樣品沿構建方向上（X-Z 面）的晶粒呈明顯的柱狀形貌，具有最大的晶粒尺寸為 128 μm。
小的晶粒尺寸降低了裂紋敏感性，使得選用 67°激光掃描偏轉角度制備的樣品具 有低密度的熱裂紋缺陷，而且選區激光熔融制備工藝中形成了多層級結構，包括高密度位錯胞、位錯纏結、細小析出相和多峰晶粒結構，有效地提高合金的力學性能，因而 R67 樣品具有最優的力學性能和高的加工硬化率：屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為 614 MPa，758 MPa 和 15.7%。
變形引起的高密度微觀條帶和少量的孿晶是 FeCoCrNiMn高熵合金的變形機制，華中科技大學研究團隊研究了工藝參數對SLM成形FeCoCrNiMn高熵合金的相組成、微觀組織和力學性能的影響規律。
SLM成形過程中，熔池與熔池之間(XY成形面)及層與層之間(Z成形面)凝固搭接具有一定的時間差，導致上一熔池(層)與下一熔池(層)之間物理狀態不同，熔池與已凝固的基體接觸，較大的溫度梯度會使在凝固搭接面產生較大過冷度，形成尺寸細小的亞晶粒，同時產生較大的熱應力，導致在晶粒邊界處易產生開裂形成裂紋。熔池(層)邊界處存在的較大熱應力使其在腐蝕時具有較快的腐蝕速度易形成腐蝕坑，在搭接處易形成特征形貌。
上海交通大學團隊研究了SLM溫度梯度G和凝固速度R對結晶形式的影響。隨著G/R的增大，晶粒形態由平面晶向胞狀晶、柱狀樹枝晶、等軸樹枝晶依次轉變。由于金屬導熱系數較大，水平方向的總熱流方向會偏向已沉積的金屬一側，因此，總的熱流方向就是斜向下。
一、等離子熔覆（PTA）
等離子熔覆（PTA）是制備較厚高熵合金涂層的優選方案。武漢大學與華中農業大學聯合團隊研究了如何通過工藝調整得到期望的FeCoCrNiMn涂層。團隊以65Mn作為基體，熔覆電流分別為110A、130A、150A、170A、190A進行試驗。隨著電流增大，枝晶間組織（ID）變大變平整，電流變化對元素擴散有顯著影響。
電流在110A至150A間，涂層硬度隨著電流增大而減小。電流在170A時，涂層硬度陡降。電流在190A時，涂層硬度變大，與基體元素熔入有關。
電流變化對相結構沒有影響，電流變大使涂層擇優取向由（111）轉為（200）。
二、選區激光熔融（SLM）：
選區激光熔融（SLM）是增材制造技術中的一種粉末床熔融制備方式。SLM的工藝變化可以調控合金的微觀結構。
中南大學與中國建材總院聯合團隊近期開展了SLM制備FeCoCrNiMn的工藝研究。試樣成分為：21.69 Fe-20.26 Co-19.43 Cr-20.45 Ni-16.83 Mn-0.92 N-0.42 Si (at%)。改變掃描偏轉角度（45°、67 °、 90°），保持恒定的掃描速度（800 mm/s）、層厚（40 μm）和激光間距（80 μm）來制備三組樣品。
三組樣品都觀察到明顯的位錯胞結構。相較于R45樣品，R67和R90樣品具有高位錯密度，胞壁和胞的內部都有大量的位錯纏結。
選用45°激光掃描偏轉角度制備的樣品中90°枝晶生長模式和扁平的熔池輪廓， 因而其微觀結構呈現明顯的柱狀樹枝晶的外延生長。并且，R45 樣品沿構建方向上（X-Z 面）的晶粒呈明顯的柱狀形貌，具有最大的晶粒尺寸為 128 μm。
小的晶粒尺寸降低了裂紋敏感性，使得選用 67°激光掃描偏轉角度制備的樣品具 有低密度的熱裂紋缺陷，而且選區激光熔融制備工藝中形成了多層級結構，包括高密度位錯胞、位錯纏結、細小析出相和多峰晶粒結構，有效地提高合金的力學性能，因而 R67 樣品具有最優的力學性能和高的加工硬化率：屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為 614 MPa，758 MPa 和 15.7%。
變形引起的高密度微觀條帶和少量的孿晶是 FeCoCrNiMn高熵合金的變形機制，華中科技大學研究團隊研究了工藝參數對SLM成形FeCoCrNiMn高熵合金的相組成、微觀組織和力學性能的影響規律。
SLM成形過程中，熔池與熔池之間(XY成形面)及層與層之間(Z成形面)凝固搭接具有一定的時間差，導致上一熔池(層)與下一熔池(層)之間物理狀態不同，熔池與已凝固的基體接觸，較大的溫度梯度會使在凝固搭接面產生較大過冷度，形成尺寸細小的亞晶粒，同時產生較大的熱應力，導致在晶粒邊界處易產生開裂形成裂紋。熔池(層)邊界處存在的較大熱應力使其在腐蝕時具有較快的腐蝕速度易形成腐蝕坑，在搭接處易形成特征形貌。
上海交通大學團隊研究了SLM溫度梯度G和凝固速度R對結晶形式的影響。隨著G/R的增大，晶粒形態由平面晶向胞狀晶、柱狀樹枝晶、等軸樹枝晶依次轉變。由于金屬導熱系數較大，水平方向的總熱流方向會偏向已沉積的金屬一側，因此，總的熱流方向就是斜向下。
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