温州大学：首次实现电弧3D打印高熵合金，强度塑性都高

来源：材料科学与工程

导读：温州大学陈希章教授团队首次突破了多股丝材增材制造高熵合金制造技术，为大尺寸和复杂形状高熵合金材料及产品的制造提供了一种有前景的制造方法，制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金综合性能优异，强度2.8GPa且塑性42%！

增材制造（AM）是一种非常有前途的制造方法，已广泛应用于各个行业。当前，通过AM方法制备高熵合金（HEA）的研究已被广泛报道。粉末的使用受到沉积效率限制，并且粉末不能打印大型零件。线材增材制造具有独特的优势，但由于HEA焊丝的生产需要将原料金属熔炼然后进行拉拔等工艺，因此至今尚未用于高熵合金的制造，成本很高，而且需要很长时间。此外，一些高熵合金具有很高的强度和脆性，很难制造金属丝。

为此，温州大学陈希章等人首次设计并开发了一种新型的具有多种元素组成的复合丝材（CCW），可以用于非等原子Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金电弧增材制造（AAM）。由7个细丝和5个元素组成的CCW具有高沉积效率、焊接电弧自旋转和节能等优点。制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金达到强度2.8GPa和塑性42%的优异结合。相关论文发表在Journal of Materials Science& Technology。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

在这项工作中，研究人员使用冷金属过渡（CMT）增材制造技术制备了Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。为此，开发了一种创新方法，其中涉及设计和开发包含高熵合金成分（即要沉积的材料）的复合丝材。

研究发现， 本研究中使用复合丝材是可行的，可以通过CCW-AAM方法制造HEA。通过CCW-AAM工艺成功制造HEA，表明可以打印大量零件，同时克服了基于粉末的AM工艺的缺点。研究结果为通过增材制造技术开发高熵合金提供了新的途径。

CCW-AAM和铸造工艺生产的Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子高熵合金由BCC和FCC相组成。CCWAAM制造的高熵合金中BCC相的含量略低是由于其铝含量相对较低。由于Al含量会影响BCC相的形成，由于CCW-AAM工艺中的飞溅引起的Al损失会降低其BCC相的含量。

可以通过改变喷嘴的行进速度来控制高熵合金的微观结构。通过适当地改变行进速度，可以减少热量输入并获得更快的冷却速率，这产生了细颗粒的HEA，从而改善了机械性能。与铸造样品相比，CCW-AAM制造的高熵合金具有高强度和延展性。（文：SSC）

图1.（a）用于制备HEA的CCW-AAM技术的示意图，以及（b）CCW的3D模型

图2.使用CCW-AAM制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni 高熵合金样品：（a）8 mm / s的行进速度；（b）10毫米/秒的行进速度；（c）12毫米/秒的行进速度；（d）真空电弧铸造

图3.通过铸造和CCW-AAM在不同的行进速度下开发的HEA的XRD图

图4.HEA中的相图和晶粒尺寸分布：（a）和（b）：8 mm / s的行进速度；（c）和（d）：10 mm / s的行进速度；（e）和（f）：12mm/s的行进速度；（g）和（h）：铸件标本

图5.Al-Co-Cr-Fe-Ni HEA的EDS图谱显示了BCC和FCC相中的元素分布

图6.焊接的HEA的IPF图：（a）8 mm / s的行进速度，（b）10mm / s的行进速度，（c）12 mm / s的行进速度，以及（d）铸件

图7. CCW-AAM和铸造工艺制备的HEA的压缩测试结果：（a）应力-应变曲线；（b）试样的压缩机械性能的变化