金屬頂刊《Acta Materialia》：強度提高高57%！增材制造高強韌中熵合金！

來源：材料學網(wǎng)

導讀：本文采用激光粉末床熔融( LPBF )技術(shù)對增材制造 CrCoNi合金進行了加工。在室溫( 298 K )下，該中熵合金的屈服強度為σ y≈691 ± 9 MPa，抗拉強度為σ u≈926 ± 15.2 MPa；在低溫( 77 K )下，屈服強度和抗拉強度分別提高到σ y⋅944 ± 6 MPa和σ u⋅1382 ± 11 MPa。這些強度水平比變形合金高57 %和44 %，這是由于LPBF CrCoNi中與位錯相互交織的凝固胞狀結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的強化。在298 K時，裂紋啟裂斷裂韌度KJIc為183.7± 28 MPa√m；77 K時，KJIc值降低了4 % ~ 176 ± 11 MPa√m。在298 K和77 K時，LPBF CrCoNi合金的KJIc值分別比變形CrCoNi合金低11 %和35 %。采用非線性彈性斷裂力學，通過測量J積分形式的R曲線行為作為裂紋擴展的函數(shù)，評估了LPBF Cr Co Ni的微-細觀分級 結(jié)構(gòu)的抗裂紋擴展能力。不同長度尺度下分級微結(jié)構(gòu)的具體特征為這種增材制造中熵合金的強韌化性能提供了基礎(chǔ)。這種變形與不同長度尺度下的分級微結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性可能為提高中熵合金的斷裂韌性性能提供未來的指導。

" Cantor合金"及其衍生物由近等摩爾濃度的Fe、Cr、Mn、Ni和Co組成，是一類面心立方( fcc )高、中熵合金( H / MEAs )，因其優(yōu)異的抗斷裂性能而被廣泛研究，特別是在極低溫度下。盡管fcc H / MEAs有望成為未來常溫和低溫環(huán)境下使用的結(jié)構(gòu)材料，但其較低的屈服強度σ y限制了其在許多工程應用中的潛力。例如，變形Cr Co Ni在常溫下具有207 MPa√m的斷裂韌性KJIc，在77 K時提高到273 MPa√m，在20 K時達到459 MPa√m，但其屈服強度σ y在298 K時僅為350 ~ 440 MPa，在77 K時為657 MPa，與同樣具有高斷裂韌性的易得奧氏體不銹鋼相當。

CrCoNi合金優(yōu)異的抗斷裂性能與裂紋尖端前長時間的塑性變形有關(guān)，這是由一系列變形機制-堆垛層錯形成、納米孿晶和在低溫下應力誘導的fcc到六方密排( hcp )相變來維持的。然而，由于CrCoNi合金中只有置換固溶強化起作用，其屈服強度σ y較低。傳統(tǒng)的強化金屬材料的方法，如減小晶粒尺寸或采用沉淀硬化，雖然有效，但由于強度和韌性之間固有的矛盾，它們可能會對斷裂韌性產(chǎn)生不利影響。這種權(quán)衡主要是因為高的斷裂韌性要求裂紋尖端前方具有持續(xù)的塑性，這更容易通過較低的屈服強度σ y來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的限制位錯可動性的強化機制可以限制裂紋尖端的位錯輔助鈍化，從而在較低的應力強度因子( K )下促進裂紋擴展。為了同時提高強度和斷裂韌性，位錯的運動確實需要被限制以獲得強度，但不能完全停止，以便它們能夠?qū)�損傷分布到遠離裂紋尖端的地方，并保持斷裂抗力。

增材制造( AM )工藝，如激光粉末床熔覆( LPBF )，通過引入微觀和介觀尺度的 結(jié)構(gòu)，可以提供一種替代的微結(jié)構(gòu)設(shè)計路徑，以克服強度和韌性的權(quán)衡，這些結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是分層的，并已被證明可以在增強材料的同時保持(在某些情況下,增強)的斷裂韌性和損傷容限。LPBF處理合金中的這些分級結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)成分逐行逐層"自下而上"制造的結(jié)果，這些結(jié)構(gòu)成分是激光掃描軌跡、熔池和凝固胞狀組織。激光掃描軌跡的寬度和熔池的深度控制著晶粒的尺寸、形貌和織構(gòu)。在快速凝固過程中，由于成分過冷引起的溶質(zhì)偏析形成了凝固胞狀組織，這是LPBF所固有的。此外，由于在構(gòu)建過程中發(fā)生了嚴重的熱循環(huán)，位錯碎片被偏析的合金元素釘扎，從而裝飾了晶胞邊界。通過改變工藝參數(shù)組合，可以控制這些晶胞的尺寸在0.2 - 10 µ m范圍內(nèi)，其形狀可以通過控制熔池內(nèi)部最大熱梯度的方向來控制。這些位錯胞是有趣的，因為它們通過泰勒硬化作用來強化材料。此外，它們促進了多種變形機制，并允許位錯在應變硬化的后期階段移動，從而保持了材料的塑性。

美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie研究團隊研究了亞微米位錯胞結(jié)構(gòu)的LPBF Cr Co Ni合金的拉伸和斷裂性能，以探討以下問題：( i )位錯胞結(jié)構(gòu)對同時提高Cr Co Ni合金強度和斷裂韌性的有效性；( ii )它們是否能促進裂紋擴展阻力，即R曲線行為；( iii )盡管CrCoNi合金的斷裂是由應變控制的微孔聚合過程，但由LPBF工藝產(chǎn)生的多級微/介觀 結(jié)構(gòu)是否可以通過賦予裂紋路徑的曲折度來產(chǎn)生額外的外在增韌，這已被報道用于LPBF生產(chǎn)的沉淀硬化和高強度材料。相關(guān)研究成果以題為“On the strength and fracture toughness of an additive manufactured CrCoNi medium-entropy alloy”發(fā)表在期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645423005797

圖1( A ) CrCoNi樣品LPBF工藝掃描策略。( B )緊湊拉伸試樣C ( T )和拉伸試樣相對于構(gòu)建板的相對取向，其中Z軸平行于構(gòu)建方向( BD )，Y軸平行于掃描方向( SD )，X軸平行于橫向( TD )。( C ) C ( T )試樣尺寸和( D )拉伸試樣尺寸。如圖。C和D，所有尺寸均為mm。

圖2 .( A )具有代表性的3D微結(jié)構(gòu)顯示激光掃描軌跡(白色點線條)在平行于成形方向的平面上，BD和熔池在垂直于成形方向的平面上，即掃描和橫向方向，SD和TD。( B )電子背散射衍射( EBSD )獲得的3 - D代表反極圖( IPF )圖顯示激光掃描軌跡內(nèi)部存在多個晶粒，在SD和TD平面上存在柱狀晶。( C )高倍腐蝕圖像顯示出跨越多個熔池邊界的異常晶粒生長。紅色箭頭指示了熔池內(nèi)部胞狀結(jié)構(gòu)生長的方向。( D )透射電子顯微鏡( TEM )圖像顯示了晶粒內(nèi)部位錯的胞狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3 .( A )在298 K和77 K溫度下對試樣進行單軸拉伸試驗，得到工程應力S -工程應變e曲線。( B )代表真應力，σvs.真應變，ε和瞬時應變硬化率，dσ / dεvs.真應變，ε曲線在298和77K測試的樣品。( C )在298 K和77 K下測試的LPBF Cr Co Ni試樣的抗裂曲線( R曲線)。

圖4 .在( A ) 298 K和( B ) 77 K下，拉伸試樣的掃描電子顯微鏡( SEM )斷口圖顯示微孔聚集。

圖5 .C ( T )試樣在( A ) 298K和( B ) 77K斷裂韌性測量后的SEM斷口圖。圖中用紅色點線、Ⅰ和Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示區(qū)域的放大圖像。A和B位于圖像的最底層。圖5A、B為超載破壞試樣的斷口形貌照片。這些斷裂面具有微孔的雙峰分布，具有較大的尺寸( ~72 ± 18 µ m )和較小的尺寸( ~ 0.4 ± 0.2 µ m )。較大的微孔尺寸與激光掃描軌跡的寬度相近，即在BD平面上測量的~69 ± 9 µ m (圖2B )。在這些大的微孔洞(例如,在圖5A和B中的位置Ⅱ和Ⅲ)的底部，可以觀察到一個似解理斷裂，其表面具有緊密間隔的線條，寬度為~0.8 ± 0.3 µ m。

圖6 .TEM圖像顯示，在298K時，( A )〈111〉平面滑移穿過試樣裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)部的胞狀邊界。( B )在77 K溫度下測試的試樣裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)部的胞狀結(jié)構(gòu)和相對較高的位錯密度。

圖7 .電子背散射( EBSD )逆極圖( IPF )顯示了過載斷裂時裂紋的路徑以及裂紋與微觀組織的相互作用。在( A ) 298 K，( B ) 77 K下，斷裂時裂紋擴展起始位置的IPF圖。( C ) 298 K斷裂韌性測試過程中裂紋止裂位置的IPF圖。在所有三個試樣中，裂紋尖端附近的激光掃描軌跡的取向是不同的，這是由于層與層之間的67 °掃描旋轉(zhuǎn)和4 × 4 ° mm2島的棋盤圖案。在每個圖中，圖像中的白色點線顯示了激光掃描軌跡的邊界。這些試樣的斷裂韌度KJIc分別為( A ) 216 MPa√m，( B ) 185 MPa√m，( C ) 167 MPa√m。

圖8 .在( A ) 298K和( B ) 77K測試的試樣中，SEM斷口顯示了由激光掃描軌跡引起的裂紋路徑的曲折性。在圖( B )中，具有白色點線的矩形顯示了拉伸區(qū)的二次裂紋，表明了非本征增韌。紅色雙箭頭線顯示了斷裂后激光掃描軌跡的殘留。

在298 K和77 K下，與傳統(tǒng)制備的CrCoNi相比，LPBF工藝制備的CrCoNi樣品的強度有所提高。此外，在298 K和77 K下，盡管屈服強度顯著提高，但仍保持了理想的斷裂韌性。這項研究表明，增材制造( AM )工藝可能是解決韌性材料強度和韌性折衷的可行方法。本文的主要結(jié)論有：
1、AM誘導的分級結(jié)構(gòu)同時增強和增韌了LPBF Cr Co Ni。位錯胞狀結(jié)構(gòu)提高了屈服強度，而裂紋更傾向于沿著激光軌跡邊界擴展，提供了裂紋路徑迂曲的外在增韌。
2、在CrCoNi的LPBF加工過程中拾取的間隙O似乎抑制了塑性變形過程中的納米孿晶和堆垛層錯的形成。
3、減少沿構(gòu)建方向具有〈110〉織構(gòu)的畸變晶粒數(shù)量，減少間隙O以激活變形機制納米孿晶和堆垛層錯的形成，可進一步提高LPBF Cr Co Ni合金的斷裂韌性。