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增材制造CoCrMoNbTi与AlCoCuFeNi高熵合金及其组织性能研究

张咪娜  
【摘要】:高熵合金作为一种新兴的多主元合金材料,因其具有独特的固溶体组织和高硬度、高强度、良好的热稳性和耐腐蚀性等优异的综合性能,已成为国际上金属材料领域共同关注的热点。目前,高熵合金材料及其先进制备技术的研究还处于初级阶段。研究表明,一方面,在开发高熵合金成分体系过程中,将高熔点金属元素通过合理的成分设计,能够开发出具有优异高温性能的高熵合金,在高温结构材料领域具有潜在的应用价值;另一方面,现有对高熵合金成形工艺研究中,多以传统的电弧熔炼技术为主,然而该方法制备的合金形状简单、尺寸较小且易发生成分偏析,限制了高熵合金复杂结构件的制备及工业化应用。因此,寻求先进的高熵合金成形技术至关重要。增材制造技术因具有“离散-堆积”的快速成形特点,已成为当前复杂金属构件制备中最具前景的制造方法之一。因此,应用先进的增材制造技术制备具有良好性能的高熵合金势在必行。本文从高熵合金成分设计和增材制造技术应用的角度出发,首先开发高温性能优异的Co-Cr-Mo-Nb-Ti新型难熔高熵合金体系,研究合金元素与激光熔化沉积成形工艺对难熔高熵合金及其涂层的相结构、显微组织及其力学性能的影响机制;以批量合成的AlCoCuFeNi高熵预合金粉末为原料,深入研究了选区增材制造技术(选择性激光熔化技术和选区电子束熔化技术)制备高致密度、高性能的高熵合金成形件的成形机理和组织演变规律,揭示了高熵合金成形工艺与其微观组织、力学性能的关联性规律。首先,根据高熵合金成分设计原理,系统研究了 Co-Cr-Mo-Nb-Ti系难熔高熵合金的相组成、微观组织、结构稳定性、力学性能及高温变形行为,并探究了 Ti元素含量对合金组织性能的影响规律。研究发现:CoCrMoNbTi0.4合金组织为单相的体心立方(BCC)固溶体相,并具有高硬度和高强度,其硬度和压缩强度分别为829 HV0.5和1578 MPa,断裂应变为3.2%。Ti元素的添加导致(Cr,Co)2(Nb,Ti)结构的Laves相析出,提高了合金硬度和压缩强度,但恶化塑性。热处理结果表明,CoCrMoNbTi0.4合金具有优异的热稳性和抗高温软化性能,热处理后合金硬度最高为959 HV0.5。在1200 ℃高温热变形时,铸态和热处理后合金压缩强度仍分别达到680 MPa和634 MPa,断裂应变为17.1%和50%以上。在研究Co-Cr-Mo-Nb-Ti系合金基础上,进一步研究了激光熔化沉积技术(LMD)制备CoCrMoNbTix难熔高熵合金涂层的成形工艺、显微组织演变及力学性能。采用优化后的合金成分和工艺参数制备的CoCrMoNbTi0.4合金涂层表面平整,与基体形成冶金结合,组织为单相的BCC固溶体。LMD成形的CoCrMoNbTi0.4合金涂层表面形貌为等轴状和鱼骨状的共晶组织;涂层纵截面组织从界面至顶部依次为平面状、胞状枝晶和等轴晶,同时随着激光热源的移动,熔池内枝晶沿热量散失反方向定向生长。在BCC相的固溶强化和LMD快速凝固组织的细晶强化共同作用下,涂层显微硬度明显提高(高达890HV0.5以上),优于45#钢基体。为了进一步拓展高熵合金的工业化应用,利用AlCoCuFeNi高熵预合金粉末为原料,系统研究了选区增材制造技术制备高熵合金的工艺可行性和成形机制,探讨了不同成形工艺对合金质量、组织特征及力学性能的影响规律。通过对选择性激光熔化(SLM)成形过程中熔池温度场模拟分析和工艺参数优化实验研究,结果表明SLM成形AlCoCuFeNi合金致密度高达99.0%以上,显微硬度和压缩强度分别达到541 HV0.2和1476 MPa,但塑性不足(6.3%)。成形件组织均匀,为单相的BCC(B2)固溶体相,表面\侧面的组织分别为尺寸细小、取向随机的等轴晶和沿沉积方向外延生长的柱状晶。热处理后,富Cu的FCC相析出在BCC基体上,显著提高了合金的塑性。其中1000℃热处理后,成形件压缩屈服强度和断裂强度分别为871 MPa和1600 MPa,断裂应变增加到16.6%。基于上述SLM成形高熵合金的研究结果,采用选区电子束熔化(SEBM)技术将快速成形和热处理效应有机结合,直接制备出具有超细晶粒的BCC(B2)+FCC双相AlCoCuFeNi高熵合金,FCC析出相与B2基体之间存在位向关系:[111]FCC//[001]BCC,(111)FCC//(001)RCC。SEBM 电子束粉末预热和层间熔化工艺改善了成形件质量,致密度达到99.8%以上。合金组织为层内定向生长的柱状晶与层间等轴晶构成的混合组织,并具有优异的综合力学性能,其中SEBM成形件压缩屈服强度和断裂强分别为1248 MPa和2579 MPa,应变为25.8%。通过上述的研究获得了成形工艺控制高熵合金组织和物相结构,影响力学性能的关联性关系,进一步拓宽了高熵合金的成形新技术,为先进增材制造技术制备复杂结构高熵合金的组织调控和性能改善提供了重要的理论依据和现实意义。


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1 张咪娜;增材制造CoCrMoNbTi与AlCoCuFeNi高熵合金及其组织性能研究[D];北京科技大学;2019年
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