西北工业大学团队：激光粉末床熔融高强度共晶高熵合金基复合材料

| 3DScienceValley · 2023/07/22

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采用激光粉末床融合（LPBF）技术制备高熵合金时，经常出现开裂现象。这是因为在LPBF过程中，极大的温度梯度和极快的冷却速率会引起复杂的热循环和较大的残余应力，而这是裂纹起始和扩展的关键因素。晶粒尺寸、元素偏析和残余应力等许多影响因素对于裂纹敏感性的严重程度起着至关重要的作用。只有明确裂纹生成的机理，才能有效地避免裂纹形成与扩展。制造高质量的EHEA复合材料会受到裂纹形成的限制，裂纹形成机理亟待研究。

西北工业大学深圳研究院、西北工业大学凝固技术国家重点实验室的研究人员，研究了采用LPBF制备AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金过程中掺入SiC陶瓷颗粒对微观结构、缺陷形成和力学性能的影响。通过详细的微观结构表征，阐明了裂纹的主要起源和机制。基于所得结果，为制造具有卓越性能的EHEA复合材料提供了一些思路和建议。

相关研究成果发表在国际期刊Journal Materials Science & Technology上，题为“Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion”。

研究背景及研究结果

自2004年首次提出以来，高熵合金（HEA）已经从等摩尔单相发展到非等摩尔多相。共晶高熵合金（EHEA）是一类具有发展前景的双相HEA材料，它具有复合结构，能够兼具高强度和高韧性，已成为金属材料领域的研究前沿。目前，行业内的一大研究方向是开发各种工艺来生产超越传统铸造的具有更好性能的新型HEA。

增材制造（AM）是一种革命性的技术，它使用数字化设计数据直接制造三维定制化零件。近年来，增材制造技术在HEA制造方面的应用正在迅速发展。探索用于增材制造的新型HEA复合材料一直是研究的焦点。然而，通过LPBF制备多相HEA复合材料掺杂陶瓷颗粒的研究还尚未开展。

西北工业大学的研究团队通过激光粉末床融合（LPBF）设计和制造了一种新型的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金过程中掺入SiC陶瓷颗粒的复合材料，研究了其微观结构特征，拉伸特性和冶金缺陷，重点是开裂行为。

研究结果表明，在AlCoCrFeNi2.1基体中添加SiC颗粒能够形成{ 100 }织构和高度拉长的柱状晶，这是导致力学行为各向异性的主要原因。沉积态EHEA复合材料的抗拉强度为1466±26 MPa，伸长率为9%± 3%，超过了增材制造先进金属合金。遗憾的是，沉积态块体样品中观察到严重的横向和纵向裂纹，以及少量的微裂纹。微裂纹被证实与碳和氧化物颗粒的聚集有关。由于补液能力不足和凝固收缩，它们形成于凝固的最后阶段。宏观裂纹的形成是由试样边缘拉应力积累引起的，微裂纹和孔隙所在的应力集中区是裂纹扩展的主要位置。这项工作为SIC增强EHEA的缺陷控制提供了指南，从而有助于高性能设计和EHEA复合组件的集成制造。

图文解析

图1. 粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图2. EBSD分析显示沉积复合样品的晶粒取向，晶粒形态和相图。

图3. 沿BD拍摄的沉积复合样品的OM图像，显示宏观纵向裂纹（a）和水平裂纹（b）。

图4. 复合试样LPBF过程中凝固裂纹机理（a）和固态裂纹机理（b）示意图。

文章来源：浙江工业大学激光先进制造研究院

Yinuo Guo, Haijun Su, Hongliang Gao, Zhonglin Shen, Yuan Liu, Di Zhao, Peixin Yang, Quandong Hu, Zhuo Zhang,Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion,Journal of Materials Science & Technology,Volume 163,2023,Pages 81-91,ISSN 1005-0302,https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.003.

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