哈工大研究团队揭示激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的显微组织与力学性能

哈工大研究团队揭示激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的显微组织与力学性能

激光定向能量沉积作为金属增材制造技术之一，因其高成形速度和设计灵活性，已被广泛应用于工程应用和实验室研究。然而，该技术在制备样品时往往存在冶金缺陷和较高残余应力的问题。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黄永江教授团队在Rare Metals上发表的研究论文，通过调整沉积参数来改变本征热处理强度，系统探究了不同强度本征热处理对CrCoNi中熵合金微观结构与力学性能的影响机制。

激光定向能量沉积过程中循环加热引起的本征热处理吸引了越来越多的关注。本文通过模拟和实验表征，研究了本征热处理对激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的微观结构与力学性能的影响。结果表明，本征热处理的强度与激光能量密度成正比。随着激光能量密度增加，本征热处理强度增大，合金内部发生动态再结晶和晶粒细化。然而，较高的激光能量密度导致合金内部出现严重的热裂纹，降低了合金的延展性。通过降低激光能量密度，热裂纹能够被有效的消除。同时，低激光能量密度减小了本征热处理的强度，抑制了动态再结晶，导致合金内部形成具有多尺寸晶粒的异质晶粒结构。该结构在塑性变形过程中能够提供显著的异质变形诱导强化，使合金具有可持续的加工硬化能力。

图1 不同样品熔池附近的扫描电镜图片和相应的元素分布图。

从扫描电镜图片中可以看到，在熔池边界处，所有样品都具有较好的冶金质量，而且元素分布均匀无偏析。同时发现，当激光能量密度较高时，样品内部观察到少量的微裂纹。随着激光能量密度降低，样品内部的微裂纹逐渐消失。孔洞缺陷在各个成形参数下均可以观察到，表明改变成形参数无法消除孔洞缺陷。

图2 （a-c）晶界取向图；（d-f）几何必须位错分布图；（g-i）再结晶分布图。

EBSD表征结果显示，采用较高激光能量密度成形的样品内部低角度晶界较少，几何必须位错密度较低，再结晶晶粒较多。低激光能量密度成形样品内部的组织特征则与此相反。

图3 Ⅰ号样品的温度场模拟结果。温度检测点位于每层中央。图中黑色点划线是CrCoNi中熵合金熔点。红色箭头表示再加热温度的最大值超过CrCoNi中熵合金熔点。

从模拟结果可以看到，在成形过程中，合金的每一层都会经过熔化和多次再加热。从第6到第9层，再加热温度超过了CrCoNi中熵合金的熔点，如此高的再加热温度对成形组织有直接影响。

图4 （a）Ⅱ号和Ⅲ号样品的循环拉伸曲线；（b）HDI应力和（c）σHDI/σtotal比值的变化情况。

循环拉伸测试结果显示，Ⅲ号样品在拉伸变形过程中表现出更高的HDI应力值，而且HDI应力在总应力中的占比也高于Ⅱ号，表明Ⅲ号中存在的多尺寸异质晶粒结构在变形过程中起到了显著的背应力强化作用。

研究发现，本征热处理的强度与激光能量密度正相关。增加激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，进而促进CrCoNi中熵合金发生动态再结晶，产生晶粒细化效果。但是较高的激光能量密度会导致合金内部形成严重的热裂纹。通过降低激光能量密度，热裂纹能够被有效消除，而且较低的激光能量密度能够减小本征热处理强度，抑制动态再结晶，导致合金内部形成具有多尺寸晶粒的异质晶粒结构，在变形过程中提供了显著的非均匀变形诱导强化，实现可持续的加工硬化能力。

论文引用信息：
Zhao, WJ., Liu, CY., Che, PC. et al. Microstructures and mechanical properties of laser-directed energy deposited CrCoNi medium-entropy alloy. Rare Met. (2024).

本文原文来自：
稀有金属RareMetals