激光熔化沉积制备CoCrFeMnNi高熵合金的组织性能及深冷处理调控

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高熵合金(High-entropy alloys,HEAs)具有稳定的固溶体结构和优异的力学性能,因而其受到了国内外学者广泛的关注。但传统制备工艺往往造成高熵合金构件形状简单,尺寸有限,且其内部存在夹杂、气孔与成分偏析等铸造缺陷,限制了高熵合金的工业化应用。激光熔化沉积(Laser melting deposition,LMD)技术可以加工获得具有均匀组织结构与优异力学性能的金属构件,并在制备大尺寸高熵合金构件方面具有巨大的优势。然而,LMD过程产生的温度梯度和残余应力会影响高熵合金构件的微观组织与力学性能。目前,针对利用LMD制备高熵合金存在以下几个关键问题尚未得到解决:一是未建立LMD制备高熵合金过程中热历史、微观组织与力学性能之间的内在联系;二是LMD制备高熵合金过程中产生的残余应力大小与分布尚未得到重构;三是还未能找到一种在不破坏金属构件形状的情况下依然能够有效调控残余应力和组织性能的后处理手段。基于此,本研究将以LMD作为制备手段,以CoCrFeMnNi HEA作为研究对象,重点研究上述三个科学问题,旨在建立LMD制备高熵合金过程中热历史、微观组织与力学性能之间的内在联系,并探寻一种可以有效调控残余应力与微观组织进而提升高熵合金力学性能的后处理方法。通过建立有限元模型模拟探究LMD制备CoCrFeMnNi HEA样品的温度场演变与应力场分布,建立了该过程的凝固组织转变图,并揭示了热历史、微观组织和力学性能之间的内在联系。研究表明,在单道沉积样品内,随着LMD过程进行,其内部温度梯度逐渐减小,凝固速率不断增大,进而导致凝固界面前沿的成分过冷增大,从而促进基板附近的柱状晶向沉积表面的等轴晶转变。与此同时,已沉积的材料所受基板的约束减小,导致残余拉应力减小。在柱状晶区其柱状晶晶粒内位错密度减小,显微硬度减小。等轴晶区内的显微硬度会随着晶粒尺寸减小与位错密度增大而显著增大。探究能量密度对LMD制备的单道沉积样品的微观组织与力学性能的影响规律,并揭示了其组织演变机制和力学强化机理。研究表明,不同能量密度条件下,单道沉积样品均表现为单一的面心立方结构,其内部发生了由柱状晶向等轴晶的转变。在柱状晶区,随着沉积高度增加,柱状晶晶粒尺寸增加,位错密度减少,显微硬度减小。在等轴晶区,等轴晶晶粒尺寸降低,位错密度增加,显微硬度增大。单道沉积样品的屈服强度主要由晶格摩擦阻力作用、晶粒细化作用、位错强化作用共同贡献。其中,位错强化作用占主导作用,其强度贡献占总屈服强度的44%-53%。采用优化的LMD工艺参数制备块体沉积样品,并探究了其内部的残余应力、微观组织和力学性能,揭示其组织演变机制和力学强化机理。研究表明,由于LMD过程中复杂的温度场演变导致块体沉积样品内部产生不均匀的残余应力分布,主要表现为:芯部区域以残余压应力为主,表面区域以残余拉应力为主。在块体沉积样品内,随着沉积高度增加,柱状晶晶粒尺寸增大,位错密度减小,显微硬度与拉伸强度降低。块体沉积样品的屈服强度主要由晶格摩擦阻力作用、晶粒细化作用、位错强化作用共同贡献。探究单循环与多循环条件下的深冷处理对LMD制备的块体沉积样品的残余应力、微观组织及力学性能的调控机制,并阐述了深冷处理过程中的组织演变机理与力学强化机制。研究表明,单循环深冷处理可以有效引入残余压应力和多种晶体缺陷,且随深冷处理时间延长,引入芯部区域的残余压应力增大,晶体缺陷密度增大,拉伸性能显著提高,提高了CoCrFeMnNi HEA的强度-塑性协同能力。单循环深冷处理的屈服强度主要依靠细晶强化、位错强化和孪晶强化多种强化效应共同贡献,其中孪晶强化是最主要的强化机制,强度贡献为51.0-246.8 MPa。多循环深冷处理可以有效引入残余压应力并均匀残余应力分布,缓解应力梯度,并能够诱发相变和形成网格状的晶体缺陷组织,使得块体沉积样品内部整体的力学性能得到提升。多循环深冷处理的屈服强度主要依靠细晶强化、位错强化和孪晶强化多种强化效应共同贡献,其中孪晶强化是最主要的强化机制,强度贡献为82.4-323.2 MPa。
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