上海
通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料。热处理步骤不仅会产生异质结构晶粒，而且会在晶粒和子结构边界处产生均匀分布的纳米碳化物析出物。与其他 CrMnFeCoNi HEA高熵合金相比，通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺制造的C-HEA高熵合金表现出优异的高温抗蠕变性。
本期，结合《Superior resistance to high–temperature creep in an additively manufactured precipitation–hardened CrMnFeCoNi high–entropy alloy nanocomposite》这篇论文，分享的是来自韩国仁荷大学材料科学与工程系和韩国材料科学研究所 (KIMS)的研究团队的最新发现。
©3D科学谷白皮书
2014-2024
简介
高温性能是一个理想的标准，特别是对于用作飞机、航天器和运输的下一代结构部件的材料，因为这些材料需要对极端环境具有高耐受性。在这方面，高熵合金（HEA）是作为下一代结构部件的有希望的候选者，因为它们在较宽的温度范围内具有优异的物理、化学和机械性能。
在 HEA 家族的众多成员中，面心立方 (FCC) 结构的等原子 CrMnFeCoNi（称为坎托合金）由于其优异的拉伸强度、断裂韧性、高循环性能而受到越来越多的关注。近年来，这种CrMnFeCoNi合金体系的抗蠕变等高温力学性能受到广泛研究。
研究结果表明，尽管蠕变行为主要由缓慢的元素扩散主导，但其抗蠕变性并不优于其他 FCC 结构的金属材料。因此，为了进一步提高HEA的高温机械性能，需要额外的后处理或添加合金元素，但这些补救措施会增加成本并使制造过程复杂化。在这种情况下，有希望的解决方法是向 HEA 添加具有成本效益的间隙原子，同时可以优化组件的几何形状。
金属增材制造（AM）技术能够制造具有净形状的高性能金属产品，并为设计具有更复杂几何形状的组件和强化材料结构提供无限可能性。在适用于金属零件制造的增材制造技术中，选区激光熔融（SLM）金属3D打印技术不仅可以最大限度地提高几何形状的自由度，还可以最大限度地提高机械性能。
研究团队发现通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料具有优异的机械性能。人们已经认识到添加碳可以提高强度，同时保持延展性。此前有研究证实添加高达 3.3 at% 的碳可以同时提高 CrMnFeCoNi HEA 的强度和延展性。此外，有研究发现LPBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺可以使 CrMnFeCoNi HEA 高熵合金中的碳过饱和，而不会引入任何大的缺陷和裂纹，这种碳水化合物的过饱和通过后热处理。此外，该合金在室温下具有 1.2 GPa 的优异拉伸强度和20%的延展性。
(a) SEM显微照片和相应的EDS元素映射图像；(b) EBSD IPF 图显示了分层和异质晶粒结构。 (c1) 高倍率 EBSD IPF 图像和 (c2) GND 分布图。
©Materials&Design
在目前的工作中，研究团队研究了增材制造的含碳 CrMnFeCoNi HEA 的高温蠕变和蠕变变形行为，并随后进行了热处理。具体来说，这项研究重点关注定制的微观结构如何影响高温蠕变阻力和高温下微观结构的演变。研究团队发现，稳定的亚晶强烈阻碍位错运动和微观结构演化，从而产生优异的抗蠕变性。
结论
在这项工作中，研究团队研究了增材制造的过饱和含碳高熵合金（C-HEA）的后热处理引起的稳定亚晶粒对合金高温蠕变抗力的影响。得出以下主要结论：
▲微观组织
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- 含碳 CrMnFeCoNi HEA 的增材制造工艺和后续热处理不仅形成了具有位错网络亚结构的异质结构晶粒，而且在晶粒和亚晶界处形成了均匀分布的碳化物。
- 激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺加工的C-HEA 的高温抗蠕变性能优于 CrMnFeCoNi 高熵合金。C-HEA 的蠕变速率比传统加工的 HEA 低两个数量级。
- 详细的微观结构观察证实，稳定的亚晶粒诱导了极度锯齿状晶界的形成，从而进一步强化了亚晶粒，并抑制了高温蠕变过程中的再结晶，从而产生了优异的抗蠕变性。
上述发现得出结论，由于快速凝固而形成的独特的过饱和碳，在后热处理过程中转化为额外的纳米碳化物沉淀物，这些沉淀物均匀分布在整个基体中。
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