溫州大學(xué)：首次實現(xiàn)電弧3D打印高熵合金，強度塑性都高

來源：材料科學(xué)與工程

導(dǎo)讀：溫州大學(xué)陳希章教授團隊首次突破了多股絲材增材制造高熵合金制造技術(shù)，為大尺寸和復(fù)雜形狀高熵合金材料及產(chǎn)品的制造提供了一種有前景的制造方法，制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金綜合性能優(yōu)異，強度2.8GPa且塑性42%！

增材制造（AM）是一種非常有前途的制造方法，已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。當前，通過AM方法制備高熵合金（HEA）的研究已被廣泛報道。粉末的使用受到沉積效率限制，并且粉末不能打印大型零件。線材增材制造具有獨特的優(yōu)勢，但由于HEA焊絲的生產(chǎn)需要將原料金屬熔煉然后進行拉拔等工藝，因此至今尚未用于高熵合金的制造，成本很高，而且需要很長時間。此外，一些高熵合金具有很高的強度和脆性，很難制造金屬絲。

為此，溫州大學(xué)陳希章等人首次設(shè)計并開發(fā)了一種新型的具有多種元素組成的復(fù)合絲材（CCW），可以用于非等原子Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金電弧增材制造（AAM）。由7個細絲和5個元素組成的CCW具有高沉積效率、焊接電弧自旋轉(zhuǎn)和節(jié)能等優(yōu)點。制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金達到強度2.8GPa和塑性42%的優(yōu)異結(jié)合。相關(guān)論文發(fā)表在Journal of Materials Science& Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

在這項工作中，研究人員使用冷金屬過渡（CMT）增材制造技術(shù)制備了Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。為此，開發(fā)了一種創(chuàng)新方法，其中涉及設(shè)計和開發(fā)包含高熵合金成分（即要沉積的材料）的復(fù)合絲材。

研究發(fā)現(xiàn)， 本研究中使用復(fù)合絲材是可行的，可以通過CCW-AAM方法制造HEA。通過CCW-AAM工藝成功制造HEA，表明可以打印大量零件，同時克服了基于粉末的AM工藝的缺點。研究結(jié)果為通過增材制造技術(shù)開發(fā)高熵合金提供了新的途徑。

CCW-AAM和鑄造工藝生產(chǎn)的Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子高熵合金由BCC和FCC相組成。CCWAAM制造的高熵合金中BCC相的含量略低是由于其鋁含量相對較低。由于Al含量會影響B(tài)CC相的形成，由于CCW-AAM工藝中的飛濺引起的Al損失會降低其BCC相的含量。

可以通過改變噴嘴的行進速度來控制高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)。通過適當?shù)馗淖冃羞M速度，可以減少熱量輸入并獲得更快的冷卻速率，這產(chǎn)生了細顆粒的HEA，從而改善了機械性能。與鑄造樣品相比，CCW-AAM制造的高熵合金具有高強度和延展性。（文：SSC）

圖1.（a）用于制備HEA的CCW-AAM技術(shù)的示意圖，以及（b）CCW的3D模型

圖2.使用CCW-AAM制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni 高熵合金樣品：（a）8 mm / s的行進速度；（b）10毫米/秒的行進速度；（c）12毫米/秒的行進速度；（d）真空電弧鑄造

圖3.通過鑄造和CCW-AAM在不同的行進速度下開發(fā)的HEA的XRD圖

圖4.HEA中的相圖和晶粒尺寸分布：（a）和（b）：8 mm / s的行進速度；（c）和（d）：10 mm / s的行進速度；（e）和（f）：12mm/s的行進速度；（g）和（h）：鑄件標本

圖5.Al-Co-Cr-Fe-Ni HEA的EDS圖譜顯示了BCC和FCC相中的元素分布

圖6.焊接的HEA的IPF圖：（a）8 mm / s的行進速度，（b）10mm / s的行進速度，（c）12 mm / s的行進速度，以及（d）鑄件

圖7. CCW-AAM和鑄造工藝制備的HEA的壓縮測試結(jié)果：（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）試樣的壓縮機械性能的變化