華南理工：熱處理促進(jìn)再結(jié)晶，調(diào)控LPBF制備CoCrMo合金各向異性

2025年3月17日，南極熊獲悉，來自華南理工大學(xué)和北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院的研究人員分析了熱處理工藝對(duì)激光粉末床熔融 (LPBF) 制造CoCrMo 合金各向異性行為的影響，重點(diǎn)研究了微觀結(jié)構(gòu)變化、機(jī)械各向異性和殘余應(yīng)力降低。研究探索了在 1150°C 下進(jìn)行 1 小時(shí)的固溶處理，然后在 450°C 下進(jìn)行 0.5 小時(shí)的退火，如何改變晶粒形態(tài)、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

相關(guān)研究以題為“Recrystallization induced by heattreatment regulates the anisotropic behavior of CoCrMo alloys fabricated bylaser powder bed fusion”的論文發(fā)表在《Materials Futures》期刊上。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2752-5724/adb50a

CoCrMo 合金因其耐腐蝕、耐磨和機(jī)械耐久性而被廣泛用于骨科植入物。使用 LPBF 制造時(shí)，逐層凝固過程會(huì)產(chǎn)生沿構(gòu)建方向排列的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致機(jī)械性能因方向不同而產(chǎn)生顯著差異。該研究量化了這些變化，并評(píng)估了熱處理如何改變材料的結(jié)構(gòu)以解決機(jī)械差異。

△LPBF制備的 CoCrMo 合金的微觀結(jié)構(gòu)分析。圖片來自Materials Futures。

機(jī)械測(cè)試表明，打印的 CoCrMo 樣品沿構(gòu)建方向的伸長(zhǎng)率為 19.1%，而垂直方向的伸長(zhǎng)率僅為 9.3%，差異超過 100%。沿構(gòu)建軸的極限拉伸強(qiáng)度 (UTS) 也更高，為 1173.7 MPa，而垂直方向?yàn)?strong>1048.6 MPa。

柱狀晶粒通常沿 <001> 方向排列，限制了跨晶界的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致垂直于構(gòu)建軸的延展性降低。熔池邊界的高位錯(cuò)密度進(jìn)一步影響了應(yīng)力分布，導(dǎo)致較弱方向上的過早失效。

再結(jié)晶重新配置晶粒形態(tài)

在 1150°C 下進(jìn)行一小時(shí)的固溶熱處理可引發(fā)完全再結(jié)晶，將柱狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。電子背散射衍射 (EBSD) 分析測(cè)得的再結(jié)晶率為 94.6%，證實(shí)打印樣品中觀察到的高縱橫比晶粒結(jié)構(gòu)已被消除。

熱處理樣品的拉伸試驗(yàn)表明，UTS 值在各個(gè)方向上均等，分別為 906.1 MPa 和 879.2 MPa，而伸長(zhǎng)率分別達(dá)到 20.2% 和 17.9%。晶粒形態(tài)的轉(zhuǎn)變降低了各向異性效應(yīng)，提高了機(jī)械性能的均勻性。

△粉末形態(tài)和 LPBF 加工參數(shù)。圖片來自 Materials Futures。

固溶處理后，在 450°C 下退火0.5 小時(shí)，引發(fā)了額外的微觀結(jié)構(gòu)變化。TEM 成像在熱處理樣品中發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)馬氏體板條和退火孿晶。核平均取向差 (KAM) 映射證實(shí)，熱處理后殘余應(yīng)力顯著降低。

晶粒尺寸分析發(fā)現(xiàn)，熱處理后的樣品保留了晶粒直徑的輕微各向異性，但消除了由晶粒形態(tài)引起的伸長(zhǎng)率差異。X射線衍射（XRD）測(cè)量表明，γ-FCC和ε-HCP相在熱處理后保持穩(wěn)定，未檢測(cè)到相變。

殘余強(qiáng)度降低及進(jìn)一步研究考慮

盡管熱處理消除了各向異性的機(jī)械行為，但與打印的 CoCrMo 合金相比，處理后的樣品強(qiáng)度有所降低。固溶處理去除了柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，而退火通過沉淀物形成和孿晶界引入了新的強(qiáng)化機(jī)制。

需要進(jìn)一步研究來評(píng)估晶粒邊界處沉淀物的形成如何影響長(zhǎng)期斷裂行為。該研究沒有檢查耐磨性或疲勞性能，因此對(duì)經(jīng)過處理的 CoCrMo 合金在循環(huán)載荷下的性能仍存在疑問。

△再結(jié)晶對(duì)晶粒取向和相變的影響。圖片來自 Materials Futures。