低温处理激光增材制造高熵合金拉伸性能和各向异性的优化

来源：材料学网

等原子CrMnFeCoNi合金，也被称为Cantor合金，是一种单相面心立方高熵合金(HEA)，由于其在77K时优异的结构稳定性和机械性能，具有用于低温结构应用的潜力。然而在室温下，CrMnFeCoNi的屈服强度仅为~215MPa，但它的应变硬化显著，极限抗拉强度为~500MPa。一些提高HEA屈服强度的尝试取得了适度的成功，因为其强度的增加伴随着延性的急剧下降。

为了避免这种合金的强度-延性平衡，已经设想了促进位错增殖和阻碍其运动的微观结构剪裁。其中一些定制策略包括在固溶体基质中分散纳米沉淀物，晶粒细化，纳米孪晶的原位成核和通过预变形处理构建异质结构。在这些方法中，在HEA中原位成核纳米孪晶被认为是最有效的策略，因为原位成核纳米孪晶的相干边界不会在变形过程中在材料中产生应变不均匀性。相比之下，在其他裁剪策略中形成的非相干晶界和相界具有相对较低的热稳定性和机械稳定性。原位成核纳米孪晶作为位错滑移的有效屏障，并在塑性变形过程中触发进一步的孪晶，从而显著增强HEA而不影响其延展性。此外，孪晶的形核还会使晶体局部重新定向，促进更强烈的位错相互作用，从而促进均匀变形，防止应变局部化。

为了解决上述所有问题，大连交通大学吕云卓教授团队研究了LMD制备的CrMnFeCoNi在制备和DCT处理条件下的微观组织演变和力学行为。结果表明，在中等激光功率为1400 W的情况下，在DCT处理后，可以获得最佳的残余应力分布，在不损失延性的情况下，可以提供最大的强度增强。相关研究成果以“Optimization of tensile properties and anisotropy in a cryogenically treated laser additively manufactured high entropy alloy”为题发表在International Journal of Plasticity上。

研究人员用不同的激光功率制造构件，并测量产生的残余应力分布（图1-2）。然后，研究了DCT循环对残余应力分布和缺陷密度的影响。此外，通过执行拉伸测试，在构建和DCT处理条件下，沿着构建和扫描方向(BD和SD)评估构建的机械性能（图3-4）。主要成果如下：当激光功率为1400W和2300W时，构件的残余应力分布梯度最大、最浅（图5）。随着DCT循环次数的增加，在构建上的压应力叠加将两个构建的残余应力剖面转移到更多的压应力上（图6）。同时，底部和中间部分的脱位密度显著增加，但顶部的强化程度明显较低。在力学性能上存在明显的各向异性，因此在两种建筑中，沿SD的强度和延展性明显高于沿BD的强度和延性。尽管DCT沿SD的最大强度比底部的强度低15%，但它仍然是一种极好的无损技术，可以在不牺牲延性的情况下提高强度。这种方法也可以应用于具有低层错能的合金。

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