基于墨水直写技术的CoCrFeNi系高熵合金的组织、性能及强化机制研究

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高熵合金(high entropy alloy,HEA)是一类含有至少四种组元,且各组元原子质量比在5-35%之间的新型合金。凝固时形成单相固溶体或多相固溶体而不是复杂的金属间化合物。这种特殊的固溶体结构,使高熵合金具有高强度、高硬度、优良的疲劳性能、耐磨性和耐蚀性等优点,是一种极具发展潜力的新型金属材料。目前,高熵合金主要制备方法是铸造法。然而,此类技术制备的合金形状简单、尺寸大小受限,普遍存在成分偏析和组织不均匀等缺陷。这些问题都严重限制了高熵合金在实际生产中的应用。墨水直写技术(Direct Ink Writing,DIW)作为一种新型3D打印技术,其原理是将金属粉末与粘接剂混合均匀作为墨水(Ink)材料,通过压力推动墨水材料从喷嘴中连续挤出,并在基板上预成型。根据材料特性进行相应的后处理(如挥发溶剂、热固化、光固化、还原和烧结等)。DIW在制备具有复杂结构零部件方面有巨大的优势。本文使用气雾化CoCrFeNi系高熵合金粉末,采用墨水直写技术结合高纯氩气气氛烧结制备CoCrFeNi系高熵合金。通过设计加入与Co、Cr、Fe、Ni混合焓较为接近的Mn和Cu元素,以及混合焓较负的Al元素。系统地研究添加Mn、Al、Ni和Cu元素对CoCrFeNi系高熵合金组织、性能及强化机制的影响。本文通过系统分析和讨论,得出以下研究结果:(1)等摩尔比Mn元素添加到CoCrFeNi高熵合金中,进行墨水直写技术结合气氛烧结工艺后,发现烧结态CoCrFeNi Mn高熵合金为FCC单相固溶体。烧结态3D网格结构具有比CoCrFeNi更优的能量吸收能力,当3D网格结构的相对密度从0.35增加至0.69,每单位体积的能量吸收从155 MJ/m~3增加到333 MJ/m~3。其原因是3D网格结构以弯曲主导宏观变形机制以及均质和等轴的微观组织,共同导致变形时产生明显的加工硬化。(2)加入等摩尔比Al元素和近等摩尔比Ni元素形成名义成分为AlCoCrFeNi2.1高熵合金,进行墨水直写技术结合气氛烧结工艺后,发现烧结态AlCoCrFeNi2.1为FCC和B2共晶组织,在FCC和B2中分别析出L12和BCC纳米颗粒。烧结态3D网格结构在室温具有比CoCrFeNi更优的能量吸收能力;烧结态块体材料的拉伸力学性能具有良好的强塑性匹配,其屈服强度为535 MPa、抗拉强度为1062 MPa,同时保持15.8%的伸长率,强化机制主要是析出强化和细晶强化。为了进一步提高CoCrFeNi系高熵合金的致密度和力学性能,采用粉末热挤压态+热处理制备AlCoCrFeNi2.1合金,其组织为FCC和B2相,并且在FCC中存在L12和少量B2相析出,在B2中有BCC相析出。其力学性能表现为优异的强塑性匹配,屈服强度、抗拉强度分别为1181 MPa和1526 MPa,伸长率为18.3%。强化机制主要为细晶强化和析出强化。(3)加入等摩尔比Al元素、近等摩尔比Ni元素和5 at.%Cu元素形成名义成分为AlCoCrFeNi2.1Cu0.32高熵合金,进行墨水直写技术结合气氛烧结工艺后,发现烧结态AlCoCrFeNi2.1Cu0.32合金的组织为FCC和B2两相,在FCC和B2中分别有L12和BCC相析出。其屈服强度和抗拉强度分别为676 MPa和1038 MPa,同时保持13.3%的伸长率。采用粉末热挤压制备AlCoCrFeNi2.1Cu0.32合金,其组织为FCC和B2相,在FCC和B2中分别存在L12和BCC纳米颗粒,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为895 MPa,1327 MPa和17.3%。(4)采用热等静压对烧结态AlCoCrFeNi2.1Cu0.32样品进行后处理。其组织存在FCC和B2相,FCC和B2中分别析出L12和BCC纳米颗粒。其屈服强度为814 MPa、抗拉强度为1249 MPa和伸长率为13.7%。比烧结态AlCoCrFeNi2.1Cu0.32的屈服强度和抗拉强度均提高了20%。其强化机制主要是析出强化和细晶强化。
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