中南大學腐蝕頂刊：大幅提高選擇性激光熔化高熵合金的抗氫脆性！

來源：材料學網

導讀：我們證明了通過控制退火來改變胞狀結構可以有效地提高選擇性激光熔化 (SLM) 合金的抗氫脆 (HE) 性。對 SLM 加工和退火CoCrFeMnNi 高熵合金樣品的研究表明，退火保留了胞狀結構，同時有效地降低了位錯密度。在原位電化學充氫下的慢應變速率拉伸試驗（1×10 -5 s -1）中，這略微降低了強度，但顯著提高了延展性和抗HE性。

高熵合金（HEAs）作為一類性能優(yōu)異、應用潛力巨大的新型材料，近年來受到廣泛關注。例如，據報道，單相面心立方 (FCC) 等原子 CoCrFeMnNi HEA 在室溫和低溫下表現出優(yōu)異的強度-延展性組合，以及許多下比304和316奧氏體不銹鋼氫脆（HE）的易感性。然而，HEA 的這些特殊性能主要在通過包括熔化、軋制、熱處理等常規(guī)冶金工藝制備的樣品中進行探索，這些工藝難以直接生產復雜部件。

選擇性激光熔化（SLM）是一種先進的增材制造工藝，可以直接生產具有超細微結構的復雜幾何零件。由于SLM過程中局部快速加熱和冷卻，凝固后可以在液體中保留大量空位，促進位錯堆積群的形成。因此，在融合邊界附近可以形成由高密度位錯胞壁裝飾的胞壁結構，胞內相對干凈，沒有明顯的位錯。在位錯單元壁上也可以產生顯著的彈性應變場，即局部殘余應變。與傳統(tǒng)鑄造合金相比，這些超細蜂窩結構被認為是 SLM 加工合金強度提高的主要原因 。SLM 工藝已成功應用于制備等原子 CoCrFeMnNi HEA 。正如相關研究報道的那樣，打印樣品的密度隨著體積能量密度(VED) 的增加而增加，最高可達 74 J/mm 3，在此之后密度不會進一步增加 。SLM 用預合金粉末生產的等原子 CoCrFeMnNi HEA 表現出均勻的元素分布，極限抗拉強度(UTS)約為 600 MPa ，優(yōu)于鑄造合金，可與細合金相媲美。

盡管 SLM 處理的合金由于具有蜂窩狀結構而始終表現出增強的強度，但關于蜂窩狀結構對 HE 行為影響的有限研究結果在一定程度上不一致，并且可能取決于合金的特定特性。DCKong 等報道稱，在充氫 SLM 處理的 316 L 不銹鋼中，精細的細胞結構可以限制馬氏體的形成，從而提高其對氫致損傷的抵抗力。在激光粉末床融合打印的 304 L 不銹鋼中也觀察到了類似的現象。然而，SLM 處理的 316 L 不銹鋼的氫滲透研究表明，蜂窩結構充當氫的快速傳輸通道，并且該材料比冷軋對應物表現出更高的氫擴散系數。根據我們之前的研究，同一材料不同微觀結構特征的不同氫擴散系數會導致氫的不均勻分布。因此，不均勻分布的氫將導致氫集中區(qū)域的局部開裂。因此，SLM 處理的 CoCrFeMnNi HEAs 可能比通過熔化、軋制和熱處理制備的相同合金表現出更高的 HE 敏感性。另一方面，SLM加工合金中的大量位錯可以促進熱處理過程中的再結晶[，可用于改變胞結構，提高抗HE。

在這項工作中，中南大學材料學院李志明教授團隊在原位電化學充氫下通過慢應變速率拉伸（SSRT，1 × 10 -5 s -1 ）測試研究了 as-SLM 處理和后退火等原子 CoCrFeMnNi HEA 樣品的 HE 行為。在 SLM 處理的 HEA 中修改胞狀結構可以顯著提高 HE 抵抗力。通過比較變形顯微組織討論了增強 HE 抗性的機制合金樣品在不同加工條件下的開裂路徑。因此，這項工作為 SLM 制造材料在氫環(huán)境中的開發(fā)和應用提供了新見解。相關研究成果以題“Improvingthe hydrogen embrittlement resistance of a selective laser melted high-entropyalloy via modifying the cellular structures”發(fā)表在國際腐蝕期刊CorrosionScience 上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X21004613

目前的研究表明，通過良好控制的退火程序來修改蜂窩結構，可以顯著提高SLM加工材料的機械性能，尤其是抗HE性能。因此，可以拓寬此類材料的應用。該研究是通過微觀結構表征和原位充氫下原位充氫的拉伸開裂行為分析來進行的，該研究是通過對 as-SLM 處理和后退火 CoCrFeMnNi HEA 的拉伸開裂行為進行的。特別是，系統(tǒng)地研究了測試樣品的斷裂特征。在目前的 as-SLM 加工的 HEA 中，具有高密度位錯和局部殘余應變分布的蜂窩結構在保持良好可塑性的同時提高了強度。然而，由于這些區(qū)域的高擴散速率和氫濃度，這些特征也通過在融合邊界附近的 GB 裂紋引入了一定的 HE 敏感性。

圖1。(a) 用于選擇性激光熔化(SLM) 工藝的預合金化等原子 CoCrFeMnNi 高熵合金 (HEA) 粉末的 SEM 圖像；(b)粉末大小的分布；(c) SLM 設施示意圖，掃描策略為層間67° 旋轉；(d) 在 XY 平面上的 as-SLM 處理樣品的金相照片，插圖顯示了典型的細胞結構。

圖2。(a) 樣品切割示意圖；(b) 在慢應變率拉伸 (SSRT) 測試期間的原位電化學充氫；(c) 工程拉伸應力-應變曲線。

圖3。SLM處理和后退火樣品的EBSD 分析：(a)-(b) 分別顯示了 as-SLM 處理和 900 ℃ 1 h 退火 HEA 樣品的 IPF 圖；(c) 晶粒取向分布；(d)-(e)分別顯示了as-SLM處理和900℃退火1小時HEA樣品的GOS圖；(f) 顯示了樣品在三種不同條件下的 GOS 分布。IPF 和 GOS 分別指的是“反極圖”和“晶粒取向擴展”。

圖 4。XY 平面上微結構的ECC 圖像：（a）和（c）顯示了在 as-SLM 處理的樣品中沿融合邊界分布的具有高密度位錯的細胞結構；(b) 和 (d) 顯示了在 900 ℃ 退火 1小時后具有相對低密度位錯的改性細胞結構。

圖 5。結果從SSRT在空氣中，并在測試原位充氫作為-SLM處理和900℃1個小時退火的樣品組成：（a）工程應力-應變曲線; (b) UTS值；(c) 均勻的塑性值

圖 6。在空氣中破裂的樣品中的變形孿晶和高密度位錯：(a) as-SLM 處理；(b) 900 ℃ 1 h 退火。

圖 7。在原位充氫下破裂的as-SLM 處理樣品中裂紋區(qū)域的 EBSD 圖和 ECC 圖像：（a）IPF 圖顯示沿熔合邊界的裂紋，裂紋尖端有斷開的部分；(b) 核平均取向差 (KAM) 圖沿裂紋和 GB 表現出高取向差；(c) 沿裂紋路徑的細胞結構的 ECC 圖像；(d) 裂紋附近蜂窩結構的高倍 ECC 圖像。

圖 9。900 ℃ 1 h 退火試樣在原位充氫下斷裂的HE裂紋ECC圖像：（a）原位充氫過程中試樣表面附近形成的塑性變形區(qū)；(b) 變形區(qū)的納米變形孿晶和位錯胞；(c) 裂紋沿晶界擴展并導致沿裂紋的位錯胞和滑移帶；(d)裂紋尖端位錯單元的高倍 ECC 圖像。

圖 13。HE裂紋萌生和擴展模式示意圖：（a）拉應力-應變曲線不同階段的應力狀態(tài)分布；(b)-(d) 顯示了在 as-SLM 處理的樣品中裂紋萌生和沿熔合邊界附近的 GB 擴展；(e)、(f) 顯示在 900 ℃ 1 h 退火樣品中，氫有助于沿 GB 的局部變形和裂紋擴展。

通過控制退火，例如在 900 ℃保溫1 h，被發(fā)現保留了細胞結構，但有效地釋放了局部殘余應變并降低了位錯密度，這略微降低了強度，但顯著提高了延展性和抗 HE 性能。HE裂紋的萌生和擴展被氫增強的局部塑性機制延遲，在改性結構中形成納米孿晶和位錯胞。