作者
張臣、朱俊凱、鄭懷、李輝、劉勝、程佳瑞
作者單位
1 武漢大學工業(ye) 科學研究院
2 武漢大學動力與(yu) 機械學院
3 美國普渡大學工業(ye) 工程學院
Citation
Zhang C, Zhu J K, Zheng H, Li H, Liu S et al. A review on microstructures and properties of high entropy alloys manufactured by selective laser melting. Int. J. Extrem. Manuf. 2, 032003 (2020).
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ab9ead
01
文章導讀
高熵合金(HEA)具有良好的極端環境力學性能和抗腐蝕、催化、儲(chu) 氫等功能性能,具有廣泛的應用前景。這些應用領域多涉及高比表麵積的孔隙、薄壁結構,力學拓撲優(you) 化的周期結構等複雜結構,因此HEA需要合適的成型技術以滿足複雜結構製造需求。傳(chuan) 統的機加工技術成型高強高韌性材料非常困難,複雜的空心、周期一體(ti) 化結構也幾乎不能實現。增材製造則可以滿足複雜結構製造需求。選區激光熔化(SLM)作為(wei) 應用最廣泛的複雜結構增材製造技術具有同步合成和成型材料的優(you) 點,克服了傳(chuan) 統加工方法的局限性,圖1展示了SLM裝置和流程示意圖。此外,SLM冷卻速率可以達到104-106K/s,遠遠超過傳(chuan) 統工藝,因此,SLM可以產(chan) 生更細的晶粒和晶粒內(nei) 部的亞(ya) 結構,從(cong) 而提高最終構件的整體(ti) 力學性能。
現在HEA的SLM研究逐漸增多,正成為(wei) HEA與(yu) 增材製造兩(liang) 大領域研究人員關(guan) 注的熱點。總結現有的研究成果,理清其中的共性科學問題,發掘新的科學問題,將有利於(yu) 研究人員更好的把握研究重點。近期,武漢大學工業(ye) 科學研究院張臣副教授和劉勝教授團隊在《極端製造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上發表《選區激光熔化製備高熵合金的微觀結構和性能綜述》,係統介紹了SLM打印HEA的顯微組織特點、機械性能、組織-性能關(guan) 係與(yu) 理論模型,並為(wei) 未來的研究指明新的方向。
圖1(a)SLM工藝的原理圖解;(b)SLM的處理過程
02
高熵合金SLM的粉末原料
目前,製備HEA粉末的方法主要包括機械混合和預合金化。機械混合方便獲得自由比例的HEA粉末,但易導致元素偏析。預合金粉末比機械混合粉末分布更均勻,可防止組分分離,從(cong) 而使樣品結構均勻,性能穩定。因此,預合金粉末被廣泛用於(yu) 目前關(guan) 於(yu) HEA的SLM的研究中。粉末的形態和尺寸也會(hui) 影響加工質量。由於(yu) 球形粉末的流動性更好,最稠密的SLM處理樣品是從(cong) 球形顆粒而不是異型顆粒中獲得的。使用球形粉末還可減少飛濺,從(cong) 而減少微觀結構缺陷。此外,粒度分布的跨度也對粉末流動性具有顯著影響。當跨度較小時,流動性更好,樣品的相對密度更高。因此,與(yu) 其他合金類似,使用球形且尺寸均勻的HEA粉末更有利於(yu) 提高成型質量。
03
宏觀與(yu) 微觀組織特征
SLM打印HEA的結構特點主要體(ti) 現在兩(liang) 方麵:宏觀缺陷和微觀結構。空洞型缺陷是SLM中最常見的缺陷,如未凝固的顆粒和孔洞。作為(wei) 一種成分複雜的新型材料,HEAs易產(chan) 生孔隙缺陷,且其是造成密度損失的主要原因。通過改變打印參數提高體(ti) 積能量密度能夠有效的抑製孔洞的產(chan) 生,如圖2所示。裂紋是另一種常發的缺陷,與(yu) 合金成分有密切聯係,如增加AlCrCuFeNi中Ni元素的成分可以有效的抑製裂紋,如圖3所示。由於(yu) HEA元素種類較多,調控元素成分控製裂紋的研究將會(hui) 非常豐(feng) 富。此外,元素偏析、夾渣等典型的增材製造缺陷也會(hui) 出現在SLM打印的HEA中。
由於(yu) SLM工藝具有複雜的熱循環和極高的冷卻速率(106K/s),其製備的HEA晶粒的尺寸低至幾微米,且可以產(chan) 生很高密度的位錯、亞(ya) 晶界、納米孿晶等,如圖4所示,這將極大提升HEA機械性能。另一個(ge) 顯著特點是SLM打印的HEA更容易產(chan) 生析出相。傳(chuan) 統工藝製造的HEA需要較長時間的熱處理來產(chan) 生析出相,而SLM打印HEA晶格的多界麵或多缺陷特征為(wei) 析出相提供了理想的生長載體(ti) ,隻需較短時間的熱處理或不熱處理即可得到析出相。合金成分對於(yu) 性能的影響至關(guan) 重要。此外,對SLM打印的HEA進行後續熱處理,還可以產(chan) 生孿晶(如圖5所示)等微觀結構。
圖2(a)不同激光能量密度下的樣品密度;(b-e)123 J/mm3體(ti) 積能量密度下的樣品中孔隙尺寸形態的XCT圖像
圖3 不同Ni元素含量對SLM成型AlCrCuFeNix裂紋的影響: (a) x = 2.0(明顯裂紋); (b) x = 2.5; (c) x = 2.75; (d) x = 3.0(幾乎無裂紋)
圖4 SLM打印CoCrFeMnNi高熵合金的亞(ya) 結構、位錯和析出物;(a)亞(ya) 結構的高倍散射電子(BSE)成像;(b-c)位錯網絡和析出物的電子通道襯度成像(ECC)(b)胞狀結構(c)柱狀結構仿生-製備-結構-應用的相互關(guan) 係
圖5 SLM打印FeCoCrNi高熵合金在(a) 1173K, (b) 1373K, and (c) 1573K下2h退火後的孿晶分布同圖,右上角圖像為(wei) 再結晶分布圖;(d)SLM打印CoCrFeMnNi高熵合金的納米孿晶HRTEM圖;(e)SLM打印FeMnCoCrC0.5高熵合金在12%應變下納米納米雙hcp片層複合結構.
04
機械性能與(yu) 強化模型
文章對SLM打印的不同類型HEA的拉伸壓縮數據進行了總結,並對不同加工方法製備的HEA性能進行了對比。由於(yu) 傳(chuan) 統工藝製備的HEA缺乏強化手段,結構簡單,晶粒尺寸較大,其屈服強度和極限抗拉強度遠低於(yu) SLM試樣的性能。對打印的HEA進行退火處理,會(hui) 促進析出相的生成,並使得HEAs軟化,對其衝(chong) 擊韌性有所促進。另外,SLM打印的HEA在耐腐蝕和耐磨性上均有所提高。
HEA強化機製不同於(yu) 其他金屬,最突出的特征是晶格的摩擦應力和不尋常的固溶強化。HEAs的多元特性使傳(chuan) 統的模型不適用於(yu) 預測HEAs固溶強化程度,同時,SLM極高的加熱和冷卻速率,產(chan) 生大量的位錯,位錯非常集中,幾乎可以看作是晶界,這模糊了晶界強化和位錯強化之間的界限。主要強化機製概括為(wei) 晶格摩擦應力強化、晶界強化、位錯強化和沉澱強化幾個(ge) 方麵。
05
總結與(yu) 展望
現階段,SLM打印HEA的研究工作集中於(yu) 分析微觀結構和靜態力學性能。大多數樣品是簡單的塊狀部件。SLM加工中快速的熔化-冷卻速率改善了HEA的微觀結構,包括晶粒細化,位錯密度增加,相沉澱和納米孿晶生成。這些特性增加了SLM處理的HEA的機械強度。與(yu) 傳(chuan) 統合金相似,工藝優(you) 化、合金元素的添加以及SLM處理的HEA的熱處理仍然是調節微觀結構和改善性能的主要方法。未來主要發展方向分析如下:
·缺陷抑製。在SLM處理的組件中仍然存在諸如孔洞和裂紋之類的缺陷。這些缺陷對靜態強度的影響可能很小,但對動態疲勞性能卻是致命的。消除這些缺陷可以進一步提高SLM處理的HEA的機械性能。因此,對缺陷的研究是值得今後研究的方向之一,主要包括:缺陷產(chan) 生的機理、缺陷抑製的有效方法、冶金過程的理論模型,以及SLM打印HEA過程的傳(chuan) 熱、流動和應力模擬仿真分析。
·極端環境中的機械性能。目前關(guan) 於(yu) 機械強度的研究工作集中在抗拉強度、抗壓強度和硬度等靜態性能上,動態性能還少有涉及。HEA的重要特征是它們(men) 在高溫和低溫強度下均具有出色的穩定性,現有文獻中尚未報道過SLM打印HEA在極端環境下的機械性能。SLM打印HEA的疲勞性能、高溫強度、低溫強度、蠕變等特性是未來性能研究重點。
·組織-機械性能關(guan) 聯模型。考慮到HEA多主元成分的特征,SLM打印HEA的組織-性能關(guan) 聯模型具有許多未知的特征。為(wei) 了增進對SLM打印HEA材料物理冶金機製和機械性能預測的理解,未來的研究應引進各種尺度規模的先進模擬方法,例如密度泛函理論和分子動力學。
·在線質量監測。另外控製SLM打印材料的一大發展方向是在線質量監測。實現微觀結構、環境氣氛、應力/變形演變以及缺陷在線監測,並提出針對性的調控措施,以提高SLM打印HEA的組織性能,也是一大挑戰。
·功能結構製備。具有複雜幾何結構和複合成分的HEA,對於(yu) 化學催化、儲(chu) 能、功能器件、電磁屏蔽等應用具有重要的研究價(jia) 值。迄今為(wei) 止,尚未出現SLM製備複雜結構HEA的報道。考慮到上述領域對新型高性能材料的需求,SLM打印複雜結構和複合成分HEA也將成為(wei) 未來研究的重點。
·新型HEA打印。現有SLM打印HEA研究集中在FeCoNiCrMn和AlFeCoNiCr等係列合金。尚未報告輕合金HEA的SLM。使用輕質合金是減輕重量和減少碳排放的重要方法,因此,輕合金HEA的SLM研究具有重要的工業(ye) 應用潛力。
06
作者簡介
張臣,副教授,武漢大學工業(ye) 科學研究院,主要從(cong) 事激光製造與(yu) 增材製造研究,具體(ti) 包括跨尺度跨材料激光切割焊接、電弧增材製造、選擇性激光熔化成形等。
劉勝,武漢大學動力與(yu) 機械學院院長、工業(ye) 科學研究院執行院長,華中科技大學特聘教授,ASME Fellow,IEEE Fellow,主要研究方向為(wei) 先進製造(增材製造、激光衝(chong) 擊強化、飛秒激光微細加工),先進材料及力學,微電子、光電子、LED、MEMS、汽車電子係統封裝和組裝、快速可靠性評估及設計,微電子機械係統的微尺度檢測和計算機輔助設計,IC設計,先進材料及力學等。
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