后处理工艺对块状CoCrFeNiMn高熵合金3D打印件组织与性能的影响

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高熵合金(High-entropy alloys,HEA)作为一种新型的多主元合金材料,独特的成分设计使其具有单一的固溶体结构与优异的抗腐蚀性能、力学性能、耐高温氧化性能,在结构与功能材料等领域具有广大的应用前景。目前高熵合金的制备通常采用传统的铸造、锻造、轧制等加工方法,这对于制造具有复杂几何外形的金属零部件是一种严峻的挑战,而增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术(又称3D打印)具有快速成形复杂结构零部件的优点,采用该技术可以有效地解决上述问题。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是目前最先进的一种金属粉床增材制造技术,在增材制造零件过程中不需要任何工装夹具,也不受限于零件几何形状复杂程度,因此得到了广泛的应用。但选区激光熔化制备高熵合金的研究目前仍处于初始阶段,如何调控微观组织与性能等方面仍然存在难点。基于此,本文选择气雾化CoCrFeNiMn高熵合金粉末作为研究对象,采用选区激光熔化对其进行增材制造获得块状CoCrFeNiMn高熵合金3D打印制件。结合微观表征分析、硬度测试、拉伸性能测试和原位电化学充氢慢应变速率拉伸等方法,研究成形工艺与后处理(退火、热等静压)工艺对其微观组织、力学性能、抗氢脆性能的影响,探讨了相应的变形断裂机制,所得主要结果如下:(1)体能量密度对SLM打印成形的块状CoCrFeNiMn高熵合金组织与性能有显著影响。最佳SLM成形参数:激光功率是175 W,激光扫描速度是500 mm/s,分层层厚0.05 mm,扫描间距为0.07 mm,层层旋转67°,计算其体能量密度为100 J/mm~3,相对致密度为98.68%,实际密度为7.9493 g/cm~3。物相结构均为简单单一的面心立方固溶体,(111)为最大衍射峰面;不同表面微观形貌呈现差异性;内部各区域元素均匀分布;硬度值整体水平保持在200 HV以上;断裂机制为韧-脆混合断裂模式,断口表面存在着韧窝、解理平面以及气孔、裂纹等特征。(2)经过退火处理后试样致密度为98.46%,实际密度为7.9312 g/cm~3,相较于初始SLM打印态试样有轻微地下降。而经过热等静压处理后致密度明显提升(为99.01%),实际密度为7.9760 g/cm~3,并且其内部微孔、裂纹等冶金缺陷基本消除;相组成依然为单一的面心立方(FCC)固溶体结构,但是二者均析出第二相σ相,后处理后晶粒取向{001}与{101}增加,而{111}取向减弱;后处理对于SLM打印态试样的塑性有显著的增强作用,退火后试样伸长率提升55.2%,热等静压处理后伸长率提升高达78.6%;SLM打印态CoCrFeNiMn高熵合金表现出了极强的温度依赖性,在液氮温度77 K下,拉伸性能得到极为显著地提升,主要作用机制为位错与纳米孪晶变形协同作用;室温与低温下断裂模式为韧-脆混合断裂机制,韧性为主,少量脆性断裂。(3)氢原子的存在会对SLM打印态CoCrFeNiMn高熵合金的强度与塑性均有不利的影响,而经过后处理工艺(退火、热等静压)可以降低打印制件的氢脆敏感性,提高抗氢脆性能;充氢溶液中的断口观察发现断裂机理为韧-脆结合模式;氢脆开裂机制主要为吸附诱发位错发射(AIDE)与氢增强局部塑性变形(HELP)二者协同作用。
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