悉尼大学廖晓舟教授Acta Materialia:3D打印循环快速热载荷对CrMnFeCoNi高熵合金微观结构演化的影响

引言

3D打印增材制造相比于传统制造技术有着诸多优势，例如设计的自由化，更有效的使用材料，大量节省成本等。3D打印金属材料的过程中引入了复杂的热梯度与热应力态，对材料的微结构与性能产生了重大的影响，同时为得到复杂非匀质结构提供了一种可能性。目前就3D打印过程中非均质微观结构的演化过程和形成机制的研究还很匮乏，这极大地限制了我们调控3D打印材料微观结构的能力。因此，研究打印过程中微结构与热历史之间的关系就变得尤为重要，这将为未来设计超强性能的非匀质金属材料提供潜在途径。

成果简介

近日，悉尼大学廖晓舟教授（通讯作者），西蒙.林格教授（通讯作者），第一作者王昊与团队成员利用透射电镜和热力学计算发现并解释了在3D打印过程中循环热载荷对CrMnFeCoNi高熵合金的微结构及其元素成分分布演变的影响，成功地揭示了3D打印过程中金属材料微结构的演化过程。其研究表明由于不同打印层经历了不同的热历史，成品高熵合金沿着打印方向存在着非匀质结构，微观结构演化遵循纳米晶（顶层），位错网格结构（中层），高密度变形孪晶及面心立方向六角密堆相的相变（底层）。该研究发现亚微米级凝固成分偏析网格结构先于位错网格结构形成，解决了长久以来的一个争议。打印方向上微结构的演化导致了材料各打印层之间力学性能的差异。该研究为3D打印金属材料微结构的调控提供研究基础。该研究成果以“Effect of cyclic rapid thermal loadings on the microstructural evolution of a CrMnFeCoNi high-entropy alloy manufactured by selective laser melting” 为题刊登在2020年7月10日出版的Acta Materialia 上。

图文导读

图1：样品顶层微结构

a) 透射电子显微镜（TEM）样品取样位置示意图

b) TEM明场相下顶层（区域I）纳米晶（~7nm）形貌

c) 高分辨TEM图片，晶界处为非晶结构

d)对应的电子衍射花样

e)纳米晶扫描透射电子显微镜（STEM）图片

图2：次顶层微观结构

a) TEM 明场下纳米晶（~50nm）形貌

b) 纳米晶STEM图片

c – g) 对应的X射线能量色散谱 （EDXS）

h) Mn, Ni元素成分的分析，揭示了元素网格结构（Mn, Ni元素聚集）与沉淀相的形成

图3：中层微观结构

a) 长大的晶粒内位错网格结构STEM图片

b – g) 对应EDXS图，揭示了位错网格结构与元素偏析网格结构完美重合

图4：底层微观结构

a) 热应力引发的变形孪晶TEM图片

b) 多重变形孪晶TEM图片

c – g) 对应XEDS 图

图5：维氏硬度测试

沿打印方向的二维维氏硬度图

图6：热力学模拟计算

a）固体摩尔分数随温度的变化

b）合金元素在液体中的浓度随固体摩尔分数的变化

c – d）固体和液体的浓度重绘为固体摩尔分数

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.006

本文由悉尼大学廖晓舟教授课题组投稿。