通过熔池激光冲击调制增材制造强化CoCrFeNi高熵合金

供稿人：王林、张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

增材制造技术由于具有灵活可控、生产原料成分易调、零件尺寸自由等优点，从而成为金属材料制造最广泛的技术之一，尤其对于材料组分变化范围较大的高熵合金开发优势更为明显。在制造过程中通过优化生产过程中的各种工艺参数以及退火热处理、热等静压等后处理，可以提高制造产品的机械性能。

而高熵合金的机械性能是由内部微观结构决定的。因此调控材料微观结构的研究尤为重要。CoCrFeNi高熵合金的显微组织通常是激光熔融期间熔池内外延生长的柱状晶粒和熔池边缘的等轴晶粒，这与熔池内冷却速率不同和其面心立方（FCC）基体结构等因素有关。

武汉大学技术科学研究所的Heng Lu等人对CoCrFeNi高熵合金开发进行研究，提出了一种新型熔池同步激光冲击调制（LSMMP）方法，该工艺对熔池进行激光冲击以直接干扰再结晶过程，从而增强增材制造过程中的熔池对流并抑制柱状晶体生长，最终通过细化晶粒来提高打印样品的机械性能。

图1 熔池激光冲击调制系统模型

同步激光冲击调制系统结构如图1所示，实验设备由一台1kw连续光纤激光器、一台焦耳级脉冲激光器、304不锈钢基板以及一台高速相机组成。实验在高纯氩气气氛中进行，用于制造过程的连续激光束垂直于基板，而脉冲激光束与垂直方向偏离−10°。

在制造过程中对使用不同的激光冲击能量（1 J，2 J，3 J）进行研究目的，并使用高速相机对熔池演变过程进行连续拍摄，结果如图2(a)-(c)所示。通过对熔池的激光冲击过程进行分析，可以将其划分为图2(d)中的四个阶段，I：以反冲压力（P）和马兰戈尼对流（M）为主的对流机制;II：冲击力（S）主导熔池振荡;III：回弹力（R）主导熔池向上拱起;IV.阶段：重力（G）主导熔池向下移动并恢复其原始形状。

图2 (a)-(c)激光冲击能量分别为1J、2J、3J时激光冲击调制的实时图像；(d).激光冲击过程熔池演变的不同阶段。

在第I阶段，连续激光将CoCrFeNi粉末完全熔化，粉末获得的热量迅速释放到基板上，使得底部的高温产生向上的反冲压力（P），将流体推离基体，而熔池表面的温度梯度导致马兰戈尼对流（M），该对流驱动熔池表面的流体从高温区域移动到低温区域。在第II阶段，冲击力（S）破坏了熔池的原始状态，熔池形貌与激光冲击的能量相关。第III阶段熔池中的流体向边缘移动，并在遇到固体时向中心反弹，使得熔池中心再次拱起，最终在第IV阶段，在重力（G）的作用下熔池恢复平静。

分别观察无激光冲击和使用0J、1J、2J脉冲激光冲击的CoCrFeNi打印样件截面熔池，在图3所示的电子背散射衍射图（EBSD）中可以看到，在激光增材制造过程中，激光冲击不仅改变了熔池的大小形状，还对材料的微观组织晶粒大小有所影响，最终改变成型样件的机械性能。

图3 不同脉冲激光能量的电子背散射衍射图（EBSD）:（a）0 J;（b）1 J;（c）2 J;（d）3J;

最终对比无激光冲击和不同激光冲击能量的打印样件性能，得到的真实应力-应变曲线如图4所示，经过激光冲击强化后的材料屈服强度均有所提升，在脉冲激光能量为1J时有最大的强度值和延伸率。

图4. 用不同脉冲激光能量制备的样品应力-应变曲线

参考文献：
Lu H,He Y,Zhao Z.Strengthening CoCrFeNi high entropy alloys via additive manufacturing with laser shock modulation of melt pool.Materials Science And Engineering.2022;11(6):860.