【摘 要】
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高熵合金(high entropy alloy)是一种广受关注的新型金属材料,又被称为多主元合金,由4种及以上原子以等比例或近等比例构成,具备抗腐蚀、耐高温、高强度等突出优点。然而高熵合金在实际工业生产中依然面临许多问题,例如,目前高熵合金的主要制备手段为真空电弧熔炼法,其成品体积小、生产成本高、无法批量生产大尺寸的工业零部件,限制了高熵合金的应用。为了解决这一问题,我们将目光集中于激光选区熔化技
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高熵合金(high entropy alloy)是一种广受关注的新型金属材料,又被称为多主元合金,由4种及以上原子以等比例或近等比例构成,具备抗腐蚀、耐高温、高强度等突出优点。然而高熵合金在实际工业生产中依然面临许多问题,例如,目前高熵合金的主要制备手段为真空电弧熔炼法,其成品体积小、生产成本高、无法批量生产大尺寸的工业零部件,限制了高熵合金的应用。为了解决这一问题,我们将目光集中于激光选区熔化技术(selective laser melting,SLM)。SLM技术是一种备受关注的新型金属增材制造技术,以高能激光作为能量源,具有加工精度高、可加工材料多、成型自由度大、加工性能优异等优势。然而SLM加工过程中依然存在气孔、裂纹等缺陷,且常规的实验检测手段无法有效的直接观测到加工过程中材料微观尺度的演化过程,只能通过对成型后的材料进行表征和测试从而反推出合适的加工参数,限制了SLM技术在新材料、新工艺上的推广和应用。因此,为了进一步探索高熵合金材料在SLM生产中的应用,本文基于分子动力学模拟方法,对比分析了在原子尺度下材料成型过程中微观结构的作用机理,为高熵合金在金属增材制造领域的发展做出了一定的探索。首先基于分子动力学模拟方法,提出了用于模拟选择性激光熔化技术的分子动力学仿真模型,其主体包括基板和粉末两大组成部分,基于NVE系综和速度重新标定法模拟激光热能对金属原子的作用。通过再现微观尺度激光作用下粉末的熔化和凝固成型过程,使用共同邻域分析(CNA)、位错线分析(DXA)等后处理手段,对加工过程中材料的表面形貌、位错分布、缺陷形核等演化过程进行了数据分析,研究了位错线的分布规律和缺陷形核过程。同时,通过改变激光加工参数,进一步探究了激光能量密度和激光扫描速度在微观尺度上对材料成型质量的影响。其次,基于对SLM加工过程的微观模拟结果,从基础的熔化-凝固过程出发,对高熵合金凝固过程中出现的晶粒形核长大问题进行了探究,通过调整高熵合金材料在凝固过程中的冷却速率,得到了不同冷却速率下材料的微观结构,并对其基本的力学性能进行了初步的测试。最后,针对在凝固中出现的多种复杂的晶体、非晶体结构,建立了不同非晶比例的复合结构模型,通过调整非晶层的厚度,使用包括模拟拉伸实验等方法,对不同组分的复合结构进行了对比分析,并总结出了该比例对于材料变形行为的影响和规律,加深了对晶体/非晶复合结构的理解。
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