激光增材制造CrMnFeCoNi高熵合金组织与力学性能研究

发布时间：2020-05-17 07:41

【摘要】：CrMnFeCoNi因其出色的低温力学性能,成为目前最为瞩目的结构材料之一,但目前对其组织和力学性能的研究多集中在通过电弧熔炼和熔模铸造得到的块体材料上,采用激光增材制造技术制备CrMnFeCoNi高熵合金可以拓宽其研究领域,推动其应用发展。本文采用IPG YLS-10000高功率光纤激光增材制造系统,通过同步送粉工艺在Q235钢基体上制备了成型良好的CrMnFeCoNi高熵合金沉积层,并对其制备工艺,组织与成分以及力学性能开展了系统的研究。激光增材制造的工艺参数对沉积层成形及缺陷有重要影响,通过优化工艺参数,可改善成形,消除裂纹,抑制气孔。使用球磨混合粉制备的沉积层成分分布不均,且由于锰的高活性和低熔点导致沉积层中的锰含量远低于理论值;而铺粉工艺制备的沉积层由于粉层受热不均的原因难以完全消除气孔。为避免缺陷与成分偏析,提高制备效率,最终将使用合金粉的同步送粉激光增材制造工艺定为CrMnFeCoNi沉积层的制备手段,并确定了激光功率1600~1800W,激光扫描速度2mm/s,搭接率35%,送粉速度10g/min为最佳工艺参数。对沉积层的微观组织结构与成分进行观察和分析,结果表明:沉积层元素分布较均匀,五种元素基本保持了等原子比,形成了FCC单相固溶体。但在枝晶内部和枝晶间存在细微的元素差异,Mn、Ni在树枝晶间偏析。沉积层从底部到顶部呈现平面晶、胞状和柱状树枝晶、等轴树枝晶等多种形貌,其中柱状树枝晶占据了沉积层内的大部分区域,该区域在凝固过程中的冷却速度大约为1000~1500℃/s。力学性能的表征结果显示沉积层的硬度分布较为均匀,硬度由表面至底部缓慢递减,约为180~200 HV_(0.5),工艺参数对于硬度的影响较小,不同工艺条件下沉积层硬度值非常接近。沉积层的拉伸性能有较强的温度依赖性。当温度从298 K降至77 K时,沉积层的屈服强度和抗拉强度分别提升了60%和65%,达到了564 MPa和891 MPa,延伸率从26%提升到了36%。室温和低温下,沉积层断口均可观察到细小密布的韧窝结构,为典型的韧性断裂。得益于激光增材制造过程中的快速冷却,沉积层有高达10~(10) cm~(-2)量级的初始位错密度,这大大提高了沉积层的屈服强度,位错密度在形变过程中不断增大,位错运动是低温下主要的变形机制,而形变孪晶在大应变条件下是一种额外的变形机制,二者的共同作用使得CrMnFeCoNi沉积层具有出色的低温强度和塑性。沉积层无韧脆转变现象,其常温和低温冲击韧性基本相同,大约为100 J·cm~(-2)。沉积层磨损机制为显微切削,在载荷50 N,转速200 r/min的条件下,摩擦系数大约为0.4。
【图文】：

主元,合金设计,三元相图,数量关系

上海交通大学硕士学位论文全背离了传统设计思路，第一次把研究的目光放在了更为区域，为合金的设计打开了一扇全新的大门。如图 1-1 所的数量随着主要元素的数量的增加呈几何级增长，当主元数量 N 就已经达到了 106的量级，若是把元素周期表中的围，那么可研究的合金体系的数量将是一个天文数字！

矩阵图,生成焓,金属元素,化合物

合可生成稳定的高熵合金。若生成焓过低，则该化合物过于稳定，，容易以沉淀相析出；若生成焓过高，则表明指定元素间的相容性过差。图 1-2 给出了 30 种种常见金属元素的两元化合物生成焓矩阵，以本文的研究对象 CrMnFeCoNi 高熵合金为例（图 1-2 矩形框内所示），这五种金属元素两两之间的二元化合物生成焓均落在指定范围内，故该高熵合金稳定性极好，可生成单相固溶体。该模型的提出为高熵合金的体系设计和理论研究指明了方向，大大缩短了实验和模拟的所需时间。表 1-1 二元化合物生成焓在指定范围内的五元、六元、七元合金的数量Table 1-1 Five-, six-, and seven-component alloys for which the enthalpy of formation of the binarycompounds are 138 <ΔHf< 37 meV/atom (range 1, applied at T=1000K) and 232 <ΔHf<37 meV/atom (range 2, applied at T=1673K)[50]Five components Six components Seven componentsAll 1.69911 × 1057.36281 ×1052.62958 ×106Range 1 179 69 0Range 2 269 93 17
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG139

【参考文献】