溫州大學：首次實現電弧3D打印高熵合金，強度塑性都高

來源：材料科學與工程

導讀：溫州大學陳希章教授團隊首次突破了多股絲材增材制造高熵合金制造技術，為大尺寸和復雜形狀高熵合金材料及產品的制造提供了一種有前景的制造方法，制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金綜合性能優(yōu)異，強度2.8GPa且塑性42%！

增材制造（AM）是一種非常有前途的制造方法，已廣泛應用于各個行業(yè)。當前，通過AM方法制備高熵合金（HEA）的研究已被廣泛報道。粉末的使用受到沉積效率限制，并且粉末不能打印大型零件。線材增材制造具有獨特的優(yōu)勢，但由于HEA焊絲的生產需要將原料金屬熔煉然后進行拉拔等工藝，因此至今尚未用于高熵合金的制造，成本很高，而且需要很長時間。此外，一些高熵合金具有很高的強度和脆性，很難制造金屬絲。

為此，溫州大學陳希章等人首次設計并開發(fā)了一種新型的具有多種元素組成的復合絲材（CCW），可以用于非等原子Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金電弧增材制造（AAM）。由7個細絲和5個元素組成的CCW具有高沉積效率、焊接電弧自旋轉和節(jié)能等優(yōu)點。制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金達到強度2.8GPa和塑性42%的優(yōu)異結合。相關論文發(fā)表在Journal of Materials Science& Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

在這項工作中，研究人員使用冷金屬過渡（CMT）增材制造技術制備了Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。為此，開發(fā)了一種創(chuàng)新方法，其中涉及設計和開發(fā)包含高熵合金成分（即要沉積的材料）的復合絲材。

研究發(fā)現， 本研究中使用復合絲材是可行的，可以通過CCW-AAM方法制造HEA。通過CCW-AAM工藝成功制造HEA，表明可以打印大量零件，同時克服了基于粉末的AM工藝的缺點。研究結果為通過增材制造技術開發(fā)高熵合金提供了新的途徑。

CCW-AAM和鑄造工藝生產的Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子高熵合金由BCC和FCC相組成。CCWAAM制造的高熵合金中BCC相的含量略低是由于其鋁含量相對較低。由于Al含量會影響B(tài)CC相的形成，由于CCW-AAM工藝中的飛濺引起的Al損失會降低其BCC相的含量。

可以通過改變噴嘴的行進速度來控制高熵合金的微觀結構。通過適當地改變行進速度，可以減少熱量輸入并獲得更快的冷卻速率，這產生了細顆粒的HEA，從而改善了機械性能。與鑄造樣品相比，CCW-AAM制造的高熵合金具有高強度和延展性。（文：SSC）

圖1.（a）用于制備HEA的CCW-AAM技術的示意圖，以及（b）CCW的3D模型

圖2.使用CCW-AAM制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni 高熵合金樣品：（a）8 mm / s的行進速度；（b）10毫米/秒的行進速度；（c）12毫米/秒的行進速度；（d）真空電弧鑄造

圖3.通過鑄造和CCW-AAM在不同的行進速度下開發(fā)的HEA的XRD圖

圖4.HEA中的相圖和晶粒尺寸分布：（a）和（b）：8 mm / s的行進速度；（c）和（d）：10 mm / s的行進速度；（e）和（f）：12mm/s的行進速度；（g）和（h）：鑄件標本

圖5.Al-Co-Cr-Fe-Ni HEA的EDS圖譜顯示了BCC和FCC相中的元素分布

圖6.焊接的HEA的IPF圖：（a）8 mm / s的行進速度，（b）10mm / s的行進速度，（c）12 mm / s的行進速度，以及（d）鑄件

圖7. CCW-AAM和鑄造工藝制備的HEA的壓縮測試結果：（a）應力-應變曲線；（b）試樣的壓縮機械性能的變化