悉尼大學廖曉舟教授Acta Materialia:3D打印循環快速熱載荷對CrMnFeCoNi高熵合金微觀結構演化的影響

引言

3D打印增材制造相比于傳統制造技術有著諸多優勢，例如設計的自由化，更有效的使用材料，大量節省成本等。3D打印金屬材料的過程中引入了復雜的熱梯度與熱應力態，對材料的微結構與性能產生了重大的影響，同時為得到復雜非勻質結構提供了一種可能性。目前就3D打印過程中非均質微觀結構的演化過程和形成機制的研究還很匱乏，這極大地限制了我們調控3D打印材料微觀結構的能力。因此，研究打印過程中微結構與熱歷史之間的關系就變得尤為重要，這將為未來設計超強性能的非勻質金屬材料提供潛在途徑。

成果簡介

近日，悉尼大學廖曉舟教授（通訊作者），西蒙.林格教授（通訊作者），第一作者王昊與團隊成員利用透射電鏡和熱力學計算發現并解釋了在3D打印過程中循環熱載荷對CrMnFeCoNi高熵合金的微結構及其元素成分分布演變的影響，成功地揭示了3D打印過程中金屬材料微結構的演化過程。其研究表明由于不同打印層經歷了不同的熱歷史，成品高熵合金沿著打印方向存在著非勻質結構，微觀結構演化遵循納米晶（頂層），位錯網格結構（中層），高密度變形孿晶及面心立方向六角密堆相的相變（底層）。該研究發現亞微米級凝固成分偏析網格結構先于位錯網格結構形成，解決了長久以來的一個爭議。打印方向上微結構的演化導致了材料各打印層之間力學性能的差異。該研究為3D打印金屬材料微結構的調控提供研究基礎。該研究成果以“Effect of cyclic rapid thermal loadings on the microstructural evolution of a CrMnFeCoNi high-entropy alloy manufactured by selective laser melting” 為題刊登在2020年7月10日出版的Acta Materialia 上。

圖文導讀

圖1：樣品頂層微結構

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a) 透射電子顯微鏡（TEM）樣品取樣位置示意圖

b) TEM明場相下頂層（區域I）納米晶（~7nm）形貌

c) 高分辨TEM圖片，晶界處為非晶結構

d)對應的電子衍射花樣

e)納米晶掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖片

圖2：次頂層微觀結構

a) TEM 明場下納米晶（~50nm）形貌

b) 納米晶STEM圖片

c – g) 對應的X射線能量色散譜 （EDXS）

h) Mn, Ni元素成分的分析，揭示了元素網格結構（Mn, Ni元素聚集）與沉淀相的形成

圖3：中層微觀結構

a) 長大的晶粒內位錯網格結構STEM圖片

b – g) 對應EDXS圖，揭示了位錯網格結構與元素偏析網格結構完美重合

圖4：底層微觀結構

a) 熱應力引發的變形孿晶TEM圖片

b) 多重變形孿晶TEM圖片

c – g) 對應XEDS 圖

圖5：維氏硬度測試

沿打印方向的二維維氏硬度圖

圖6：熱力學模擬計算

a）固體摩爾分數隨溫度的變化

b）合金元素在液體中的濃度隨固體摩爾分數的變化

c?– d）固體和液體的濃度重繪為固體摩爾分數

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.006

本文由悉尼大學廖曉舟教授課題組投稿。