激光选区熔化CoCrFeNiMn高熵合金成形工艺优化及性能表征

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高熵合金由于其单一固溶体结构,具有高强度、高硬度及良好的热稳定性、抗疲劳性、耐蚀性和耐氧化性等优异性能,在航空航天、模具、刀具、耐腐涂层、耐火材料等领域具有重要应用潜力。传统高熵合金制备工艺主要集中在真空熔炼浇铸、粉末冶金、机械合金化等方法,此类工艺制备所得合金尺寸小、形状简单,存在气孔、夹杂及成分偏析等问题,对工业复杂零件制造无较好解决方法。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是目前成形精度最高并兼具优良力学性能的金属增材制造工艺。利用SLM方法制造复杂结构、整体结构和个性化结构金属零件已获得大量应用,但SLM成形高熵合金的研究尚处于初始阶段。CoCrFeNiMn高熵合金为高熵合金中研究最成熟的合金体系,相结构稳定,具有高强度、硬度和良好耐腐蚀性、延展性和机械加工性。本文以CoCrFeNiMn高熵合金预合金化粉末作为研究材料,研究SLM成形工艺窗口,系统研究工艺参数对SLM成形CoCrFeNiMn高熵合金的相组成、微观组织和力学性能的影响规律,为SLM成形复杂高熵合金零件奠定理论和技术基础。主要结论如下:(1)研究了激光工艺参数对熔覆道、单层表面质量的影响规律。熔覆道宽度随激光功率增大或扫描速度减小而增大,高度随激光功率增大或扫描速度减小而减小。在扫描功率200 W-250 W、扫描速度1100 mm/s-1300 mm/s范围内,熔覆道表面平整连续无球化,宽度约100μm,高度约26μm。主要由于该工艺区间内熔池温度与凝固时间适中,有利于熔覆道铺展,降低球化现象。单层表面粗糙度随扫描间距增大而增大,主要因为扫面间距增加导致熔覆道分离,增大表面粗糙度。在扫描间距为0.07mm时,单层表面质量最优,粗糙度Ra为6.107μm。(2)优化SLM成形CoCrFeNiMn高熵合金的工艺参数。在铺粉层厚30μm、激光扫描功率225 W、扫描速度1300 mm/s、扫描间距0.07mm工艺参数下,试样致密度最高为98.69%(7.95±0.028g/cm3)。低功率下致密度较低,主要由于低功率下能量密度低,不能充分熔化粉末,使合金内存在裂纹、孔洞与未熔金属颗粒缺陷。高功率下致密度同样较低,主要由于高功率下能量密度较高,成形时造成球化、飞溅及表面翘曲,进而影响致密度。(3)由XRD结果可知SLM成形CoCrFeNiMn高熵合金主要相为面心立方(FCC)Fe2Ni2,另有部分CoCrFeNiMn高熵合金中少量析出富Cr元素结构为体心立方(BCC)的CrFe型σ相,主要成因为熔池温度较高导致合金产生相变。在不同成形方向上微观组织存在各向异性:沿激光扫描平面(XY面),内部以柱状晶和胞状晶为主,柱状晶长约30μm,晶间间距小于1μm;沿成形高度方向(Z面)呈“鱼鳞”状,内部以柱状晶为主,长度最大达100μm左右,单个晶粒穿越多层熔覆道,表现出外延生长特征。通过EDS结果表明高熵合金各成形面各元素分布均匀,无明显元素偏析。(4)优化工艺参数下SLM成形的CoCrFeNiMn高熵合金力学性能超过铸态CoCrFeNiMn高熵合金,与锻制高熵合金力学性能相近。SLM成形的CoCrFeNiMn高熵合金的屈服强度为418.62±27.72 MPa,较铸态提升了126.52%;拉伸强度为641.65±5.76 MPa,较铸态合金提升43.45%;硬度为284.07±5.33HV,较铸态CoCrFeNiMn高熵合金提升49.51%;断裂伸长率为16.70±1.0%,较铸态大幅降低。拉伸断口呈现脆性断裂与韧性断裂的混合断裂特征,以脆性断裂为主。SLM成形使合金CoCrFeNiMn高熵合金晶粒细小致密且无成分偏析,其细晶强化作用可提高强度、硬度等性能,合金基体中孔洞、裂纹等缺陷在应力加载下易扩大撕裂,在拉伸断口形成河流状解理花纹,导致断裂伸长率较低。
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