定向能量沉積法高通量合成CoCrFeNiTi高熵合金
增材制造技術(shù) (AM) 在高熵合金中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，其極快的冷速 (103 –106 K/s)有利于形成過飽和固溶體，從而穩(wěn)定HEAs的相結(jié)構(gòu)，此外較快的冷卻速度可實現(xiàn)晶粒細(xì)化，顯著提高合金強度和硬度。而利用定向能量沉積技術(shù)(DED)能夠直接原位合成成分可變的高熵合金。
普渡大學(xué)機械工程學(xué)院激光制造中心通過DED技術(shù)原位合成了三種不同微觀結(jié)構(gòu)的CoCrFeNiTi 高熵合金。通過微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)制備的HEAs的抗氧化性能可與鉻鎳鐵合金625相媲美。該項工作對HEA的成分、組織、硬度、抗氧化性和耐磨性進(jìn)行了詳細(xì)的評價，為實際生產(chǎn)應(yīng)用提供了借鑒意義。
相關(guān)研究論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165469
研究要點
研究團(tuán)隊利用DED工藝制備不同原子比的CoCrFeNiTi HEA合金。由于每種金屬粉的流動性和密度不同，其實際成分與預(yù)混合成分之間存在偏差，最終設(shè)計3種不同的HEA組分H1、H2和H3。
圖1 (a)CoCrFeNiTi粉末的SEM圖；(b) CoCrFeNiTi粉末的EDX圖。
為解決不完全熔化和改善化學(xué)異質(zhì)性，研究團(tuán)隊通過改善打印參數(shù)，最終選擇45-75μm片狀的Cr粉末，形成未熔化的納米顆粒和約200nm的團(tuán)簇。打印件中未熔化顆粒的比例和尺寸很小，對力學(xué)性能和氧化性能的影響較小，通過增加激光功率、降低層厚度和降低掃描速度來增加能量密度，將減少不完全熔化問題，同時降低孔隙率。
圖2 H1成分熔合區(qū)STEM圖和EDX結(jié)果。
由于AM過程的逐道跟蹤特性，可以觀察到不同的熔合區(qū)(FZ)和熱影響區(qū)(HAZ)，熱影響區(qū)的大小取決于AM參數(shù)，即掃描間距和層厚。其中HAZ在蝕刻后比FZ顯示出更深的對比度，利用EDX檢測顯示明暗相，分別對H1、H2、H3進(jìn)行測量和標(biāo)記。
圖3 對于H1成分中不同相組織的SEM圖和EDX結(jié)果。
圖4 H2成分不同相組織的SEM二次電子圖像和EDX結(jié)果。
圖5 H3成分不同相組織的SEM二次電子圖像和EDX結(jié)果。
通過XRD測試表征不同HEA的相結(jié)構(gòu)，由于含大量的非均相成分，可能會形成少量的Ni4Ti3、Ni3Ti和NiTi，但沒有明顯的峰。從H1到H3，這些次級相的峰值強度逐漸降低，意味著體積百分比降低，因為不同相的相對強度可以量化它們的比例，三種XRD圖譜均以FCC-γ峰為主。
圖6 用DED方法合成的三種HEA合金的XRD譜圖。
由于熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織的不均一性，為了在小尺度上了解不同區(qū)域的硬度，進(jìn)行了維氏顯微硬度試驗。由于H3在熔合區(qū)和熱影響區(qū)中具有相似的實際成分，因此H3的硬度標(biāo)準(zhǔn)差較H1和H2減小。同時比較三種設(shè)計合金的抗氧化性能，利用增重值結(jié)果比較，驗證HEA合金在高溫應(yīng)用方面的潛力。
圖7 利用DED技術(shù)合成的HEA合金熱氧化結(jié)果。
總結(jié)
該研究提供了一種利用金屬增材制造技術(shù)以低成本預(yù)混合元素粉末為原料，高通量開發(fā)新型HEA合金的方法。所設(shè)計的三種HEA均表現(xiàn)出與Inconel 625高溫合金相當(dāng)?shù)目寡趸裕浯蠹s比AISI M2高20倍，比AISI 52100軸承鋼高30倍。由于H1和H2具有更高的硬度或，據(jù)報道該硬度比AISI M2和AISI 52100耐磨鋼具有更好的耐磨性，因此H1和H2被認(rèn)為具有巨大的耐磨應(yīng)用潛力。
(責(zé)任編輯：admin)
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