激光3D打印CoCrFeMnNi高熵合金的抗冲击性能及其复合化

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具备“超低温高强韧”特性的CoCrFeMnNi高熵合金在低温、高速冲击等极端条件下仍能保持足够的强度和韧/塑性。增材制造技术(即3D打印)可“一站式”成形几何复杂构件,相较于传统制造与加工方法,3D打印制件的设计自由度更高,已深度融入航空航天、国防安全、医疗等工业领域。挖掘高熵合金等新兴金属材料及其复合材料3D打印制件的性能潜力,具有重要价值。本文基于激光选区熔化(SLM)3D打印技术,针对CoCrFeMnNi高熵合金SLM工艺调控、常/低温环境抗冲击性能展开实验研究,并为进一步提升抗冲击性能,设计和制备TiNp/CoCrFeMnNi、W@CoCrFeMnNi单级构型复合材料及CoCrFeMnNi—TiNp/CoCrFeMnNi多级构型复合材料,可为太空、低温介质等服役环境关键零部件的研制奠定一部分工艺基础。主要研究内容与重要结论包括:(1)SLM成形高熵合金及复合化工艺研究:数值模拟研究了高熵合金SLM成形过程激光功率P、激光扫描速度v对熔池温度场分布和形貌的影响,建立了高熵合金及其复合材料SLM优化工艺窗口,借助开发的多材料SLM供粉装置制备高熵合金微叠层多级构型复合材料。研究表明,当其他工艺条件不变,随着P的增加,熔池长、宽、深尺寸均逐渐增加,而随着v的增加,熔池长、宽、深尺寸逐渐降低;获得了 SLM优化工艺参数:P=200W、v=1200 mm/s、扫描间距h=80μm,铺粉层厚t=40 μm;通过激光重熔扫描策略有效提高单级复合材料SLM试样致密度及陶瓷颗粒分布均匀化程度;建立了多材料协同SLM成形微叠层多级复合构型的粉床-激光交互作业工艺方案。(2)SLM成形高熵合金及复合化组织研究:通过FE-SEM和EBSD等材料学表征手段分析了 CoCrFeMnNi高熵合金及其单级复合材料、微叠层多级构型复合材料微观结构特征与组织演变机理。分析表明,综合机械混粉工艺、熔池的激光“搅拌”作用及复相熔体流动行为,可驱动高熔点TiN纳米粒子、W微米粉球增强相在CoCrFeMnNi高熵合金单相基体组织内部均匀分布;热稳定型TiN纳米陶瓷颗粒可作为SLM非平衡凝固形核质点,增加基体组织非自发形核密度并阻碍晶粒长大,实现基体细晶强化与复相强化的双重机制;球形W强化相在熔池中发挥了加速成分均质化的“搅拌”作用,形成的复合材料在分散的W附近晶粒明显细化,并增加了组织内部的吸能异质界面。(3)SLM成形高熵合金及复合化结构抗冲击性能与机理研究:基于霍普金森压杆冲击测试方法,通过对SLM成形CoCrFeMnNi高熵合金及其单级复合材料、多级构型复合材料的常/低温冲击测试与损伤分析,揭示了抗冲击的材料学机制,澄清了抗冲击的复合构型效应。研究表明,CoCrFeMnNi高熵合金具有正的应变率敏感性,高速冲击诱发大量微纳米变形孪晶增殖,孪晶密度随应变率的增加而增加,在应变强化的同时,达到增强和增韧协同的效果;由于低温环境可降低高熵合金的堆垛层错能,大量的纳米孪晶更易被激活,增殖的孪晶界很大程度上阻碍了位错运动,增强与增韧效果更明显。澄清了 W对冲击裂纹的阻滞作用,相对于单相高熵合金,常温相同应变率冲击条件下W@CoCrFeMnNi屈服强度和极限应力明显提高,塑性流动段增长,吸能效果得以提升;发现含TiN微叠层多级复合构型在不同应变率下的真实应力-应变曲线无明显屈服现象,相比于单相高熵合金,展现出更佳的抗冲击强化效果。
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