激光选区熔化成形TiVCrHfNb高熵合金微观组织与力学性能研究

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高熵合金作为一类新型结构材料,在过去十年中引起了研究者的极大关注。基于TiVCrHfNb高熵合金优良的综合力学性能,本文将其选为基体材料。然而,传统加工方法很难直接成形具有复杂结构TiVCrHfNb高熵合金零件。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为一种新兴的增材制造技术,使用高度聚焦的激光作为热源束有选择性地分层熔化金属粉末,并直接根据三维CAD模型整体成形具有复杂结构的金属零件,在成形复杂高熵合金零件方面具有较大潜力。但是,在TiVCrHfNb高熵合金SLM成形过程中,由于快速熔化和急速冷却引起的巨大温度梯度与残余应力,最终导致SLM成形的TiVCrHfNb高熵合金产生微裂纹。为此,本文通过在TiVCrHfNb高熵合金基体中添加纳米硼(nano-B)可有效的减小微裂纹并细化晶粒,从而提高SLM成形TiVCrHfNb金属零件的力学性能。主要研究了不同nano-B含量对SLM成形TiVCrHfNb高熵合金的微观组织与力学性能的演变规律。具体的研究内容和结果如下:(1)优化了SLM成形TiVCrHfNb高熵合金的工艺参数,研究了在不同nano-B含量下SLM成形TiVCrHfNb金属零件微裂纹的变化规律。当nano-B含量在0 wt.%-0.8wt.%时,微裂纹数量随着nano-B含量的增加而迅速减少;当nano-B含量在0.8 wt.%-1.6 wt.%时,微裂纹数量随着nano-B含量增加反而略有增加。因此,nano-B对TiVCrHfNb高熵合金微裂纹有抑制作用。研究了不同nano-B含量对SLM成形TiVCrHfNb高熵合金微观组织的演变规律,发现晶粒尺寸随着nano-B含量的增加而逐渐减小,且晶粒的取向发生很明显的改变,即由(111)取向逐渐转变为(001)取向;另外,研究发现随着nano-B含量的增加,SLM成形TiVCrHfNb高熵合金的施密特指数逐渐下降,说明随着nano-B含量的增加,SLM成形TiVCrHfNb高熵合金的变形抗力逐渐提高。(2)研究了nano-B含量对SLM成形TiVCrHfNb高熵合金相组成与力学性能的演变规律。发现随着nano-B含量从0 wt.%逐渐增加到0.4 wt.%时,TiVCrHfNb高熵合金仅存在BCC基体相,而当nano-B含量增加至0.8 wt.%时,TiVCrHfNb高熵合金由基体BCC、nano-B、nano-TiB2和nano-HfB2组成,且伴随有等轴晶的生成。随着nano-B含量的增加,SLM成形TiVCrHfNb拉伸强度呈先增加后降低的趋势,当nano-B含量为0.8 wt.%时,其屈服强度达到了最大值为619±23 MPa。
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