激光功率對CrCoNi 中熵合金組織及性能的影響

前言

2004年葉均蔚教授最先提出了高熵合金的概念，即含有5種以上的基本元素，原子百分?jǐn)?shù)相等或接近相等的一類無序合金。

中熵合金的概念是在高熵合金的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，指的是由3～4 種等（近）摩爾比的的元素組成的新型合金材料。已有研究表明，中熵合金具有比傳統(tǒng)合金更加良好的性能，如良好的強(qiáng)塑性組合、耐磨性、耐腐蝕性及優(yōu)異的高低溫性能等，在航海、航空航天、焊接等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。其中CoCrNi 基中熵合金因其良好的性能受到了更多研究者的關(guān)注.

目前，關(guān)于CoCrNi 基中熵合金加工工藝的研究主要集中在合金化、燒結(jié)、粉末冶金、退火、拉伸、熱軋等方面。

進(jìn)入正題

激光功率對CrCoNi中熵合金的影響

試驗參數(shù)

制備方法：SLM

制備原料：氣霧化制備的 CrCoNi 中熵合金粉末

試驗條件：

掃描速度為500 mm/s、鋪粉層厚為40 μm，選擇打印激光功率分別為225 W、250 W、275 W、300 W、325 W。

所用基板材質(zhì)為不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼基板成本低，易加工，且在打印過程中基板強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫，不銹鋼基板表面光潔度較高，與粉末材料連接性較好

組織結(jié)構(gòu)分析

致密度

隨著激光功率增大，CrCoNi 中熵合金的致密度先緩慢增大，隨后開始降低。

當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大時，過高的輸入能量會對液相產(chǎn)生沖擊造成飛濺，受到?jīng)_擊的液相凝固后落到粉末表層，繼而形成球化現(xiàn)象，過高的能量也會使熔池面積增大，需要冷卻凝固的時間變長，也會導(dǎo)致球化現(xiàn)象和孔隙等缺陷的形成，使成型件致密度開始下降。

當(dāng)激光功率為225 W～250 W時,試樣表面出現(xiàn)較多的孔隙，大孔隙周圍存在細(xì)小孔隙，孔隙出現(xiàn)的原因是因為激光輸入能量不充足，熔池中出現(xiàn)部分粉末顆粒未熔，凝固在成型件中最終形成孔隙.

當(dāng)激光功率為275 W 時，孔隙變的少而小，且周圍基本不存在細(xì)小的孔隙，試樣的致密性較好。

當(dāng)激光功率為300 W～325 W 時，試樣的孔隙又開始增多，由于輸入能量過多，導(dǎo)致金屬液相吸收過多能量，造成液相飛濺以及熔池冷卻不及時出現(xiàn)球化現(xiàn)象進(jìn)而形成孔隙

XRD 物相

通過SLM制備的CrCoNi 中熵合金主要由單向面心立方（FCC）固溶體構(gòu)成，并無其他相生成。

這是因為合金的高熵效應(yīng)所致，高溫條件下的高混合熵能有效減少合金系的Gibbs自由能，從而穩(wěn)定生成簡單相。由不同激光功率制備的CrCoNi 中熵合金其衍射峰基本都相同。

EDS-MapScan分析

為275 W 激光功率SLM成型CrCoNi 中熵合金的元素成分面分布圖，從圖中可以看出，Cr、Co、Ni 各元素分布較為均勻，沒有發(fā)生嚴(yán)重的元素偏析，SLM 成型合金的各元素分布與它獨特的的成型方式有關(guān)，通過SLM 技術(shù)制備的合金其組織更加均勻。

力學(xué)性能分析

硬度性能

隨著功率增強(qiáng)，液相在高的激光能量沖擊下造成飛濺，使得粉末出現(xiàn)球化，合金出現(xiàn)較多且細(xì)小的孔隙缺陷導(dǎo)致合金硬度開始下降。

拉伸性能

利用真空電弧爐制備鑄態(tài)CrCoNi 中熵合金的拉伸性能作對比（鑄態(tài)合金的屈服強(qiáng)度約300 MPa，極限抗拉強(qiáng)度超500 MPa，斷后延伸率為75%左右），發(fā)現(xiàn)SLM 制備的CrCoNi 中熵合金的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均優(yōu)于鑄態(tài)合金，SLM成型的合金強(qiáng)度相比鑄態(tài)有顯著提升。

激光功率為275 W 成型的CrCoNi 中熵合金具有優(yōu)異的綜合拉伸性能。