《Acta Materialia》增材制造亞穩(wěn)態(tài)高熵合金的晶界偏析工程！

來源：材料科學(xué)與工程

激光粉末床融合(L-PBF)具有精確的控制系統(tǒng)，在小熔池上具有變化較大的熱梯度(G)和生長(zhǎng)速率(R)，能夠產(chǎn)生分層和非均勻特征組織。凝固參數(shù)G和R控制著微觀組織特征的形態(tài)和大小，因此這些凝固參數(shù)在整個(gè)凝固熔池中的變化影響著微觀組織的異質(zhì)性和層次性(MHH)。在L-PBF中，通過調(diào)控激光功率(P)和掃描速度(v)等工藝參數(shù)，可以對(duì)凝固參數(shù)和MHH進(jìn)行微調(diào)。非等原子高熵合金(HEAs)對(duì)這種MHH具有很大的適應(yīng)性。L-PBF的過程本質(zhì)上有利于柱狀生長(zhǎng)，這種柱狀生長(zhǎng)導(dǎo)致材料的熱裂敏感性(HCS)增加。迄今為止，已有一些研究考慮了L-PBF過程中生長(zhǎng)形態(tài)對(duì)合金HCS的影響。然而，溶質(zhì)偏析是影響凝固過程中晶粒凝聚行為的一個(gè)直接因素，但在目前的L-PBF合金設(shè)計(jì)策略中卻很少考慮。到目前為止，大多數(shù)研究都使用非均相形核來抑制L-PBF AM中柱狀生長(zhǎng)。盡管在激光粉末床融合過程中存在胞狀和枝晶生長(zhǎng)模式的溶質(zhì)偏析，但溶質(zhì)偏析對(duì)L-PBF加工合金凝固行為的影響尚不清楚。

美國(guó)北德克薩斯大學(xué)的研究人員使用了晶界偏析工程的概念來抑制L-PBF中固有的柱狀生長(zhǎng)并產(chǎn)生MHH，還分析了溶質(zhì)偏析對(duì)合金HCS、顯微組織和力學(xué)性能的影響。相關(guān)論文以題為“Segregation engineering of grain boundaries of a metastable Fe-Mn-Co-Cr-Si high entropy alloy with laser-powder bed fusion additive manufacturing”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117271

本文合金為亞穩(wěn)態(tài)F40Mn20Co20Cr15Si5 (at.%) HEA(簡(jiǎn)稱CS-HEA)，HEA粉末摻雜0.5 wt.%B4C粉末(簡(jiǎn)稱CS-BC)，進(jìn)行L-PBF處理，硼和碳會(huì)產(chǎn)生晶界偏析，導(dǎo)致晶界能降低，遷移率降低，因此這種效應(yīng)可以抑制熱梯度驅(qū)動(dòng)的柱狀生長(zhǎng)，提高晶界強(qiáng)度，促進(jìn)MHH。

研究發(fā)現(xiàn)硼和碳在晶界處具有較高的偏析傾向，增強(qiáng)了晶界能量。CS-BC中硼出現(xiàn)明顯晶界偏析。與制備的CS-HEA相比，制備的CS-BC中柱狀生長(zhǎng)受到抑制，立方織構(gòu)受到抑制，晶粒尺寸更小，微觀結(jié)構(gòu)以γ-fcc為主。此外，固溶、堆垛層錯(cuò)、析出相和晶粒尺寸的變化構(gòu)成了CS-BC微觀結(jié)構(gòu)的非均勻性和層次性。這樣的MHH提高了CS-BC的屈服強(qiáng)度(＞1 GPa)并產(chǎn)生了極高的加工硬化速率。而固溶體中C的保留穩(wěn)定了CS-BC的γ相，抑制了相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)。在L-PBF過程中溶質(zhì)偏析對(duì)合金HCS影響的理論框架表明，合金元素增強(qiáng)了晶界偏析，同時(shí)也促進(jìn)了凝固過程中的晶界釘扎作用，防止了熱裂，從而拓寬了合金無裂紋的L-PBF加工窗口。

圖1 CS-HEA和CS-BC的EBSD結(jié)果對(duì)比

圖2 孿晶和堆垛層錯(cuò)圖

圖3 對(duì)于加工窗口較寬的合金，MHH的屬性可以進(jìn)行微調(diào)，圖為不同參數(shù)下的CS-BC粒度分布變化

圖4 CS-BC 120-800退火試樣的元素分布、晶界析出和層錯(cuò)分析

本文研究了溶質(zhì)偏析對(duì)摻雜0.5 wt.% B4C的亞穩(wěn)態(tài)F40Mn20Co20Cr15Si5高熵合金凝固行為、顯微組織和力學(xué)性能的影響。在CS-BC的退火過程中，γ-fcc相在晶界處形成了富碳析出，并重新建立了亞穩(wěn)態(tài)。這種亞穩(wěn)態(tài)在拉伸變形過程中表現(xiàn)為TRIP效應(yīng)。與CS-HEA相比，退火后的CS-BC表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和更高且持續(xù)的WHR。寬無裂紋的加工窗口和MHH的協(xié)同作用允許L-PBF的特定應(yīng)用制造，因?yàn)槠浣M織和力學(xué)性能可以根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的要求進(jìn)行微調(diào)。這種合金設(shè)計(jì)策略可能會(huì)將增材制造工藝擴(kuò)展到廣泛的結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域。