增材製造多主元素合金CrMnFeCoNi的相變誘導強化

2020-09-14 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：採用雷射直接沉積（LMD）技術製造了多主元合金 (CrMnFeCoNi)1-xFex (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 和 0.6)。多主元元素合金(CrMnFeCoNi)50Fe50 保持著FCC的固溶強化；合金在低溫時呈現出優異的塑性性能；在進行拉伸測試的時候觀察到應變誘導的相變過程。合金的拉伸強度為415~470MPa。該工作為採用LMD技術製造用於低溫環境下的低成本的多主元合金提供了思路。得到的合金在１５００Ｋ溫度以下均可以穩定的保持著單相的固溶相的存在。

研究成果的Graphical abstract

多主元元素合金（MPEAｓ）由於巨大革新性的設計理念而在最近引起了廣泛的關注。同傳統傳統的單一主元合金相比，MPEAｓ，在一開始被定義為多元合金，主要由至少五種元素所組成，含量均為５％到３５ａｔ％，具有形成隨機性的固溶傾向的合金系統。這一類型合金的特殊結構使得MPEAｓ具有優異的性能，例如，有一種MPEAｓ合金，如CrMnFeCoNi合金在溫度降低的時候其塑性反而增加，是一類在低溫狀態下具有最強韌硬性的合金系統。

CrMnFeCoNi 中添加 Fe元素時的XRD譜線和DSC曲線

增材製造是一種新問世的用來製造三維金屬部件的一種智能製造技術，在工業界和學術界均得到了廣泛地關注。隨著增材製造技術地發展，不同地MPEAｓ也被採用增材製造進行了製造。同傳統地鑄造相比，AM製造技術可以提供一種更為強大地和簡單地獲得MPEAｓ地工具，並且製備出的合金可以具有更加均勻地成分分布和更好地合金性能。例如，已經觀察到ＬＭＤ時雷射功率的變化可以調整合金柱狀晶和等軸晶地變化，因為雷射功率會影響樣品的熱流方向和溫度梯度。

不同Fe元素含量的 CrMnFeCoNi 合金的橫截面金相，1, 2和3 分別代表樣品的頂部、中間和底部

在最近，亞穩態性工程策略使得發展雙相的Fe50Mn30Co0Cr10合金的相變誘導塑性成為可能，在從單一FCC相到HCP相轉變的過程中同時呈現出強度和塑性的優勢。相類似的研究可以應用到其他類型的ＦＣＣ和ＢＣＣ類型的MPEAｓ中。只要相變誘導控制著MPEAｓ的內部缺陷以提供其強度而不犧牲韌性。儘管MPEAｓ呈現出優異的性能和良好地３D列印時的可列印性能，MPEAｓ的高成本限制了其更為廣泛地應用，因為MPEAｓ中含有大量地昂貴的合金元素，如Ｃｒ和Ｃｏ等。在這裡，相變誘導效應引入到ＬＭＤ製造的CrMnFeCoNi的MPEAｓ中，加入低成本的Ｆｅ元素以提高其機械性能。

不同Fe元素含量的 LMD CrMnFeCoNi 在不同低溫下的拉伸曲線 293 K (a) and 77 K(b)

圖解：(c-e) 　合金 (CrMnFeCoNi)50Fe50 MPEA 在293K時的斷裂照片.

研究人員實驗採用的粉末體系為(CrMnFeCoNi)1-xFex (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 和 0.6)。採用LMD的增材製造工藝進行製備，粉末的直徑約為１３０－６５μm。

ＬＭＤ製造(CrMnFeCoNi)1-xFex 合金的ＥＢＳＤ圖像

圖解：(a) The IPF coloring map and phases distribution maps of the LMD-製造的 (CrMnFeCoNi)50Fe50 樣品在沒有變形時的IPF彩圖和相分布 ; (b)合金在５％拉伸變形時的IPF彩圖和相分布; (c) 合金在２０％拉伸變形時的IPF彩圖和相分布; (d) 斷裂後的樣品的IPF彩圖和相分布　

結果表明：得到的合金在１５００Ｋ溫度以下均可以穩定的保持著單相的固溶相的存在。

作為對比，採用鑄造的方式製備的 CrMnFeCoNi 多元合金的組織和性能見下圖。

採用鑄造方式製造的 CrMnFeCoNi 多元合金的性能及其組織

圖解：斷裂韌性、失效機制以及變形模式： (a) J-為基礎的抗裂紋阻力的曲線，表明裂紋的擴展阻力隨著裂紋的擴展在不斷增加，裂紋起源的強韌性的測量溫度為 (293 K, 198 K, 77 K)，加載為超過200 MPa m1/2 ，裂紋生長的強韌性超過300 MPa m1/2 ； (b)由於富集Cr或Mn的粒子以及他們的合併形成的微小的孔隙造成的100%韌性斷裂所得到的失效； (c) 晶粒錯位和細胞結構的形成等造成的位錯活動導致的室溫變形； (d) 在 77 K, 由於額外的變形機製造成的變形誘導的納米孿生非常明顯 。

文獻來源：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108999，Phase transformation - induced strengthening of an additively manufactured multi- principal element CrMnFeCoNi alloy，Materials & Design，Volume 195, October 2020, 108999

參考資料：Processing, Microstructure and Mechanical Properties of the CrMnFeCoNi High-Entropy Alloy，Bernd Gludovatz, Easo P. George & Robert O. Ritchie ，JOM volume 67, pages：2262–2270(2015)

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