日期：
2023-03-22 10:07:31
来源：材料学网收集 编辑：材料学网
导读：增材制造金属合金由于固有的熔化和凝固过程，从位错胞到非平衡沉淀物，往往表现出化学结构不均匀性，由此产生的亚稳态显微组织成分，显著影响后续热处理过程中的热稳定性或合金在高温下的承重性能。本研究的重点是采用激光束粉末床熔合(PBF-LB)与球磨混合粉末(5 wt.% NbC纳米颗粒)制备添加NbC的CoCrFeMnNi高熵合金(NbC-HEAs)。结果表明，PBF-LB HEAs含有亚微米级的Mn/ Ni修饰的位错胞，NbC的加入导致了胞界的额外Nb偏析。经过800°C热处理后，PBF-LB HEAs的位错密度逐渐减小，细胞尺寸增大，Mn/Ni偏析减少。相比之下，PBF-LB NbC- HEAs由于在胞界处形成NbC沉淀物而表现出优异的热稳定性，从而获得了优异的屈服强度。 具有面心立方(FCC)结构的高熵合金(HEAs)具有低温下的高韧性、优异的热稳定性和优异的抗疲劳性能，是很有前途的工程候选材料。 然而，传统的HEAs加工方法，如真空电弧/感应熔炼和机械合金化，无法为薄壁结构、高比表面积内流道或优化拓扑结构等应用提供复杂细致的结构。此外，在传统制造的HEA部件中，严重的宏观尺度元素偏析和粗枝晶会对其使用性能产生负面影响，通常需要耗时且昂贵的锻造/轧制工艺。近年来，激光束粉末床熔合技术(PBF-LB)作为一种尖端的增材制造技术，在快速生产复杂部件方面显示出独特的优势，为HEA零件提供了广泛的应用。一般来说，由于局部熔化和快速凝固加上固有热循环，逐层AM工艺往往会导致更复杂和层次结构的微观结构 。这可能导致AM组件的使用性能与传统制造的组件相比存在差异。在不锈钢、铝基合金、镍基高温合金和HEAs等AM组件中发现的一种常见的子结构是元素修饰的位错单元。Li et al.报道位错单元是一种位错网络，其边界被密集纠缠的位错占据，内部相对没有位错。另一方面，胞元结构是指只有元素偏析的初等晶格的边界。这种特殊的亚结构对打印件的力学性能有显著影响，位错网络比随机分布的位错更有效地促进位错增殖。后热处理常用于降低AM构件的残余应力和改变打印诱导的非平衡组织。CoCrFeMnNi HEA(一种固溶体强化合金)的退火热处理工艺通过降低位错密度和/或晶粒粗化来降低其强度。这是由于FCC晶体结构，通常阻止材料通过热处理硬化。众所周知，具有亚稳态结构的AM构件在热处理后的微观结构演变与传统制造的零件不同，可导致独特的力学性能。 不同热稳定性的元素修饰位错单元在热处理过程中也发生了不同的组织演变和力学响应，有待进一步研究。 在本研究中，北京科技大学董超芳教授团队 采用球磨粉(5 wt.% NbC)和PBF-LB法制备了NbC-混合CoCrFeMnNi (NbC- HEA )零件 ， 比较了NbC-HEA与不含NbC的PBF-LB HEA的热稳定性和力学性能。 透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)表征表明，PBF-LB HEA合金具有亚微米的Mn修饰位错胞，且加入NbC后，在胞边界处出现了明显的Nb偏析。当加热到800℃时，PBF-LB -HEA的位错密度随着Mn偏析的减缓而减小，胞元尺寸也随着增大，但随着胞元边界处NbC的析出，PBF-LB - NbC-HEA仍保持热稳定，单轴拉伸试验证实了它的高强度。本研究系统地阐明了潜在的微观结构演变和变形机制，为优化增材制造部件中的中尺度位错单元以提高性能提供了理论指导。 相关研究成果以题“Superior thermal stability and strength of additively manufactured CoCrFeMnNi high-entropy alloy via NbC decorated sub-micro dislocation cells”发表在Scripta Materialia上。 链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223001252 图1 (a)球混合NbC/HEA粉，(b1) PBF-LB HEA， (b2)(c) PBF-LB NbC-HEA， (d) HEA粉，球混合NbC/HEA粉和PBF-LB NbC-HEA样品的XRD分析图。 图2 热处理前后PBF-LB HEA和NbC-HEA零件的IPF和TEM结果: (a1)(c1) HEA， (a2)(c2) 800HEA， (b1)(d1)(e1) NbC-HEA， (b2)(d2)(e2) 800NbC-HEA，热处理前后PBF-LB HEA和NbC-HEA零件的(f)晶粒尺寸，(g) GND和(h)大小。 图3 热处理前后PBF-LB HEA和NbC-HEA零件中细胞亚结构的STEM和元素分布图:(a) HEA， (b) 800HEA， (c) NbC-HEA， (d) 800NbC-HEA;(e) NbC颗粒的暗视图和尺寸分布，(f) PBF-LB 800NbC-HEA部件的NbC颗粒与胞界之间的距离。 图4 (a)各种HEA零件的工程应变-应力曲线和(c)真应变-应力曲线， 图5 在Scheil-Gulliver条件下，快速凝固过程中(a) HEA (20Co20Cr20Fe20Mn20Ni)和(b) NbC-HEA (19.3Co19.3Cr19.6Fe19.3Mn19.3Ni3Nb0.2C)的元素偏析趋势。 综上所述，PBF-LB HEAs含有Mn/ N i修饰的位错胞，并且随着NbC纳米颗粒的引入，可以观察到额外的Nb偏析。 当添加5 wt.%的NbC时，PBF-LB NbC- HEAs表现出优异的屈服强度，这是由于细化的组织(包括位错胞和晶粒)以及额外的Nb偏析增加的细胞边界强化效应。PBF-LB 800NbC-HEA中的位错细胞是稳定的，并且通过添加NbC纳米颗粒实现了热稳定性和强度的优越组合。 本文来自材料学网微信公众号，欢迎友好转载，转载请联系后台，未经许可，谢绝转载