电脉冲处理激光3D打印高熵合金

电脉冲处理激光3D打印高熵合金

付翊轩 ,董岳倬 ,孙友 ,邢诗悦

大连交通大学  辽宁省大连市  116028

摘 要

激光3D打印技术与新兴高熵合金结合，将有利推进高熵合金和激光3D打印制造技术的发展。激光3D打印技术与铸造过程相比具有极高的冷却速度，导致枝晶生长时间的缩短，凝固界面偏离平衡状态，造成更大的点阵畸变，引入较大的组织应力和热应力，可能会造成裂纹缺陷。利用瞬时高能电脉冲对大块CrMnFeCoNi高熵合金进行改性处理，以实现对合金的强化，改变其对合金相结构、微观组织和力学性能。实现利用瞬时高能电脉冲对大块CrMnFeCoNi高熵合金的改性。

1.电流脉冲

强烈的外部刺激可显著改变金属的变形行为[1]。回溯到20世纪60年代的研究表明，许多金属和合金在变形过程中受到周期性电脉冲时，延展性会显著增加[2]。由于这些脉冲所消耗的能量通常小于将材料加热到可提供相当延展性的温度所需的能量[3]，因此“电塑性”成形在经济上具有吸引力，并已用于提高钛合金[4]、铝[5]、镁合金[6]、锆合金[7]和钢[8]的成形性。施加脉冲电流可以改变微结构[9]。例如，施加高密度电流脉冲可以溶解沉淀物[10]。研究进一步表明，电塑性行为可减少孪晶界处的应力集中[11]。最近，电脉冲处理成功地应用于改变增材制造部件的微观结构。虽然电塑性在实验上已被很好地确立，但其基本机制尚不清楚。已经探索了几种不同的可能性，所有这些都基于电脉冲瞬时降低流动应力的假设。最初人们认为电塑性不过是热软化。

然而，进一步的研究表明，热效应不能完全解释这种现象，有人提出，从电子流到位错的直接动量转移,即“电子风力”将促进位错滑动。其他研究人员得出结论，电塑性现象与位错的热激活密切相关，并提出电脉冲降低了位错的能垒或增加了位错的振动频率。最近，已经表明位错核处的局部能态可以通过由电脉冲感应的磁场来改变，这可能导致位错从局部障碍物解钉扎。

电流对位错的流动性和机械性能的影响，在低同源温度的调查揭示了极性效应，并产生电子风力在一定程度上与理论一致。据报道，外加直流电场可影响非合金金属在高温下的蠕变速率。在铝合金的超塑性变形期间，已经发现这样的场降低流动应力，减少应变硬化，增加应变速率硬化，减少晶界空穴化和减少晶粒生长。场的影响是极性相关的。

2.高熵合金

高熵合金（HEAs）的历史只有十几年。HEAs有两种定义，一种是基于成分的定义，另一种是基于熵的定义，最早基于的成分的定义为含有至少5种主要元素的合金，每种元素具有原子百分比（at.%）在5%到35%之间。根据该定义，HEAs不需要等摩尔或接近等摩尔，甚至包含微量元素以平衡各种材料性质，例如延展性、韧性、强度等，基于熵的定义是高熵合金在室温下无论是单相还是多相都具有大于1.5R的每摩尔的构型熵。从这两种定义可以看出，多主元HEAs的基本原理是获得高混合熵以促进固溶体相的形成。因此,合金分为以下三类,LEAs:ΔSconf〈1R,包括一种或两种元素的传统合金;MEA:1R≤ΔSconf≤1.5R,包括2-4种元素的合金;HEAs:ΔSconf〉1.5R,包括至少五种元素的合金或一些四元等摩尔合金。HEAs的制备HEAs的发现与大块非晶合金的研究有关。因此，HEAs的制备方法继承了非晶态合金的制备技术，可分为三大路线，如图所示主要途径是液体混合，包括电弧熔化、电阻熔化、感应熔化、激光熔化、激光熔覆和激光近净成形。第二条途径是固相混合，主要包括机械合金化和随后的固结过程。另一种方法是气体混合，包括溅射沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、分子束外延和气相沉积。

3.未来展望

3D打印又称增材制造，增材制造保证了快速的开发周期和现成的、几何形状复杂的零件的制造。增材制造生产的金属零件通常含有高度非平衡的微观结构，如化学成分偏析和残余位错网络。虽然这样的微结构可以提高一些材料的性能，但它们往往是不可取的。因此，许多增材制造部件在制造后都经过热处理，这一过程大大减缓了生产速度。用电脉冲的方法将高电流密度的电脉冲通过金属零件，可以使选择性激光熔化制备的CrMnFeCoNi高熵合金的显微组织比热退火更快。电脉冲作为一种快速的后处理方法，在用传统方法(如铸造和轧制)制备的材料上具有广阔的应用前景，但尚未应用于增材制造的材料。对于CrMnFeCoNi高熵合金，制备的激光3D打印零件都具有显著的化学异质性，如化学显微偏析。在这种情况下，均质化都需要在高温下进行小时量级的退火。但是在电脉冲作用下，样品经电脉冲后，化学显微偏析消失，塑性相应提高。最后实现利用瞬时高能电脉冲对激光3D打印CrMnFeCoNi 高熵合金的改性。

参考文献

[1] Conrad, H. Electroplasticity in metals and ceramics. Mater. Sci. Eng. A 287,276–287 (2000).

[2] Troitskii, O. A. Effect of the electron state of a metal on its mechanicalproperties and the phenomenon of electroplasticity. Strength Mater. 9,35–45 (1977).

[3] Waryoba, D., Islam, Z., Wang, B. & Haque, A. Low temperature annealingof metals with electrical wind force effects. J. Mater. Sci. Technol. 35,465–472 (2019).

[4] Sheng, Y. et al. Application of high-density electropulsing to improve theperformance of metallic materials: mechanisms, microstructure andproperties. Materials 11, 185 (2018).

[5] Li, W. et al. Non-octahedral-like dislocation glides in aluminum induced byathermal effect of electric pulse. J. Mater. Res. 31, 1193–1200 (2016).

[6] Wang, X. et al. Current-induced ductility enhancement of a magnesium alloyAZ31 in uniaxial micro-tension below 373 K. Materials 12, 111 (2019).

[7] Islam, Z., Wang, B. & Haque, A. Current density effects on the microstructureof zirconium thin films. Scr. Mater. 144, 18–21 (2018).