通过调控堆垛层错能实现增材制造高熵合金的裂纹抑制和优异的强度-延展性协同
时间：2024-07-03 09:51 来源：AMLetters 作者：admin 阅读：次
由于LPBF过程中的非平衡凝固和热循环，在微尺度应力诱导开裂方面面临着重大挑战。这些条件会导致相当大的热梯度和冷却速率，不可避免地会引起显著的热/残余应力并增强热裂敏感性。因此，解决这些由热应力引起的有害影响对LPBF成形HEA 的广泛应用提出了重大挑战。
现今已提出了各种方法来减轻LPBF成形部件内热循环引起的微裂纹：I）热等静压使成形的金属部件致密化并减少微裂纹和孔隙的出现。但不能完全消除表面裂纹，期间的高温会导致晶粒粗化，从而损害金属部件的强度。II）优化LPBF成形参数以减轻热循环引起的应力并最大限度地减少微尺度裂纹，但仍未取得令人满意的结果。III) 修改某些合金的化学成分，以调整凝固路径。例如，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量，通过减少临界凝固和抑制极端热循环期间金属间化合物的形成，显着增强了抗热裂性。然而，该技术目前仅限于狭窄范围的合金系统，因此，迫切需要更有效的方法来解决LPBF成形合金中应力引起的开裂问题。
LPBF快速凝固过程中微裂纹的成核和扩展可被视为热应力的能量耗散机制。在此背景下，中南大学李瑞迪教授团队提出了一种新方法，通过调节堆垛层错能 (SFE) 来减轻热循环引起的应力并抑制LPBF加工过程中合金微裂纹的形成。在本研究中，选择了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作为基础材料，其中掺杂了约 2.4 at.% 的Al来控制SFE值并验证了提出的方法。一方面，Al的重量轻且成本低廉，有利于有效改变各种合金系统中的SFE。另一方面，与 Fe、Co、Cr 和Ni原子相比，由于Al的原子半径较大，添加Al会增加晶格摩擦并提高合金的强度。两种合金的SFE值均通过透射电子显微镜 (TEM) 表征和密度泛函理论 (DFT) 计算确定。与不含Al的HEA相比，在Al掺杂的HEA中观察到微裂纹显著减少。此外，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲劳性。这项研究为通过激光增材制造工艺操纵SFE来实现高质量的无裂纹金属零件提供了宝贵的见解。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160
图1. a) LPBF 成形 HEA 悬臂部件示意图。b、c) 分别使用 X-CT和EBSD 在无Al
HEA 中产生的微裂纹缺陷；d) 使用三维方法测量成形的无 Al HEA 悬臂部件的变形。e、f) 分别使用 X-CT 和 EBSD
表征具有低SFE（堆垛层错能）的无裂纹 Al0.1FeCoCrNi HEA。g) 掺杂Al的HEA悬臂部件变形结果。
图2. LPBF 成形的无Al和掺杂Al的HEA 微观结构和SFE计算。a、b) 和
d、e) [110] 晶带轴区域的明场 (BF)-STEM 图像分别显示无Al和掺杂Al的HEA 的大量位错。c、f) 在 1.5%
的应变下，无Al和掺杂Al的HEA 样品中分离位错的弱束暗场 (WBDF) 图像。g) 图 2c、f
中测量的分离位错的部分分离距离，以及对应于不同值的理论堆垛层错能量曲线。h) 用于DFT计算的FeCoCrNi 和Al0.1CoCrFeNi
HEA的FCC超晶胞。i) FeCoCrNi 和 Al0.1CoCrFeNi HEA 沿 [112] 方向的基面GSFE 曲线。
图3. LPBF成形的无Al和掺杂Al的HEA残余应力和原子应变场分析。a) 通过 X 射线衍射测量的等原子 FeCoCrNi 残余应力。b) 两种 HEA 的表面残余应力。c,d) 微观结构特征图分别说明了 HEA 中微观残余应力的减小。e,i) 从透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 图，揭示了亚微米级应变分布。f–h,j–l) 基于近 [110] 区域轴的 HR-HAADF 图像以及相应的水平法向应变 εxx g,k) 和剪切应变 εxy h,l) 图。
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