间隙原子及颗粒对激光增材制造高熵合金微观结构与力学性能影响的研究进展

近年来,高熵合金(HEAs)由于其独特的多主元设计理念和优异的性能获得了研究者的广泛关注。激光增材制造能够获得具有超细晶和多尺度结构的高熵合金,使其具有优异的力学性能。同时间隙原子的掺杂及增强颗粒的添加有助于进一步改善合金的强塑性,在航空航天高性能结构材料等领域应用前景开阔。基于此,首先介绍了选区激光熔化技术和激光定向能量沉积技术的原理和特点;然后,总结了间隙原子(C、B、N)及增强颗粒对激光增材制造高熵合金微观组织及力学性能的影响,并分析了各个间隙原子及增强颗粒对合金的强塑化机理;最后对激光增材制造高强塑性高熵合金的发展前景做了展望。

激光增材制造相变诱导型高熵合金的研究进展

高熵合金是以4种及以上元素为主元的合金,热力学上存在高熵效应,动力学上呈现迟滞扩散效应,晶体学上表现为晶格畸变效应,使用时展现出鸡尾酒效应,具有良好的力学性能和耐腐蚀性。相变诱导塑性高熵合金通过在变形过程中发生马氏体相变,延迟了裂纹的产生,同时提高了金属的加工硬化率,解决了塑性-强度难题,具有极大的研究潜力和应用前景。铸造高熵合金存在偏析严重、晶粒粗大等缺陷,成形样品力学性能差。增材制造具有局部熔池快速凝固的特点,成形的高熵合金成分均匀、晶粒细小,力学性能远高于铸件。本文阐述了增材制造成形相变诱导塑性高熵合金的显微组织、力学性能、组织演变、耐蚀性等方面的研究进展,并展望了未来的研究方向。

激光增材制造AlMoxNbTayTiZr难熔高熵合金的高温抗氧化性能

难熔高熵合金具有优异的高温力学性能,但高温抗氧化能力一直是其应用的限制因素之一。利用激光增材制造技术设计并制备AlNbTaTiZr,AlMoNbTiZr,AlMoNbTaTiZr和AlMo_(0.5)NbTa_(0.5)TiZr四种难熔高熵合金,测试其在900℃和1000℃两种温度下的氧化增重情况并研究不同试样的氧化层结构,对比分析Mo,Ta两种元素对AlNbTiZr基难熔高熵合金高温抗氧化性能的影响。结果表明:激光增材制造制备的四种高熵合金沉积态均为BCC+HCP双相结构,枝晶干以高熔点BCC相为主,少量富含Al,Zr元素的HCP相分布在枝晶间;四种高熵合金在900℃与1000℃长时间氧化时AlNbTaTiZr表现出最佳的抗氧化性,以Ta替代Mo在一定程度上提升了难熔高熵合金的抗氧化性能。

激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹(即凝固裂纹和液化裂纹)的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。

超高速激光金属沉积增材制造K648高温合金的显微组织与性能

采用一种新型的超高速激光金属沉积工艺以提高高铬高温合金的制造效率。分别使用透射电子显微镜、拉伸试验机、磨损试验机和电化学工作站对超高速激光金属沉积高铬K648高温合金的析出相生长行为、高温力学性能、耐磨性和耐腐蚀性进行研究,并与传统激光金属沉积工艺进行比较。结果表明,超高速激光金属沉积K648合金的析出相尺寸明显小于传统激光金属沉积工艺制备的K648合金,700℃下的高温强度更高,且具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。总之,超高速激光金属沉积制造的K648高铬高温合金具有良好的综合性能。

增材制造VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金的组织及力学性能

高熵合金与增材制造技术的结合,为极端服役环境下结构复杂部件的一体化制造提供了新的思路。采用激光熔化沉积(LMD)技术成功制备了VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金,通过显微组织分析筛选出最佳激光功率参数,并对试样进行了室温及高温压缩性能测试。结果表明:VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金表现出了优异的打印性能,最佳工艺参数下制备得到的样品在宏观和微观上均没有出现裂纹。在合金底面及沿构建方向,熔池内部与熔池边界(搭接处)均呈现出不同的形貌,熔池内部由柱状的全共晶组织构成,共晶胞为熔池边界出现较为粗大的(Nb, X)5Si3初生硅化物相。相比铸态组织,激光熔化沉积使得共晶组织的片层间距显著细化。增材制造合金不仅在1000℃下压缩强度可达640 MPa,在1100℃时依然能够保持高于500 MPa的压缩强度,高温压缩性能显著优于铸态VNbTiSi合金。

增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金研究进展

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金具备细小、均匀、规则的片层结构,在较宽的温度(70~1000 K)和成分偏差范围内均具备良好的组织结构和强塑性兼备的力学性能,因而成为目前研究最为广泛的共晶高熵合金。本文针对增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金,综述了不同工艺和工艺参数对该合金的微观组织和力学性能的影响,重点阐述了选区激光熔化技术制备AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金的相分布、微观组织和强化机制。最后,指出当前增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金相形成机理及组织演化过程中存在的分歧和不足,并提出以AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金为基体的材料改性、增材制造高熵合金新工艺研究开发等发展方向,为推动该合金的工业化应用提供思路。

高熵合金在激光增材修复中研究应用进展

将新兴高熵合金材料引入激光增材修复的先进智能制造之中,有望推动新一代材料与制造技术的深度融合发展,大幅提高原材料和能量的利用率,具有广泛的应用领域和极好的发展前景。本文介绍了高熵合金在激光增材修复中的应用现状,指出强度塑性有待提高、调控工艺有待优化、强化机理有待明确是高熵合金在激光增材修复中拓展应用解决的关键科学问题。探究高熵合金熔覆涂层金属强韧化机制,明确熔覆涂层的材料、工艺、组织结构和宏观性能之间基本对应关系,获取完整有效的高熵合金成分预测方法,创新合金体系设计、优化调整控制工艺,获得适用于极端服役环境且成本低廉的高性能熔覆涂层是未来的主要研究热点和发展趋势。

增材制造CoCrFeNi系高熵合金微观组织与性能研究进展

高熵合金(HEAs)因其独特的微观结构与卓越性能,在国防、航空航天及海洋装备等领域备受瞩目。但传统制备工艺在获得复杂几何形状、优异综合性能的高熵合金仍存在限制。增材制造过程具有的大温度梯度和快速凝固速率等工艺特征,为高性能微观组织的高熵合金的制备提供了一种先进技术方法。本文总结了以CoCrFeNi为代表的系列高熵合金在增材制造过程中的微观组织与性能的特征及改善途径,为CoCrFeNi系高熵合金的应用提供参考。High-Entropy Alloys (HEAs) have attracted much attention in the fields of defense, aerospace and marine equipment due to their unique microstructure and excellent properties. However, there are still limitations in the traditional preparation process to obtain high-entropy alloys with complex geometries and excellent comprehensive properties. The process characteristics of additive manufacturing process, such as large temperature gradient and fast solidification rate, provide an advanced technical method for the preparation of high-entropy alloys with high-performance microstructures. In this paper, the characteristics and improvement methods of the microstructure and properties of a series of high-entropy alloys represented by CoCrFeNi in the additive manufacturing process are summarized, so as to provide a reference for the application of CoCrFeNi high-entropy alloys.

增材制造FeCoNiAl系高熵合金的研究进展

FeCoNiAl系高熵合金在面心立方的FeCoNi基体中引入体心立方相稳定元素Al及其他合金化元素,因此表现出独特的显微组织、力学性能和功能性,具有广阔的工业应用前景。近年来,增材制造技术为制造超细晶粒和几何复杂的高熵合金零件提供了技术支持,引起研究人员的广泛关注。本文从打印工艺、显微结构、性能、缺陷和后处理等方面综述了增材制造FeCoNiAl系高熵合金的新进展。系统总结了几种典型增材制造技术,并讨论不同工艺下FeCoNiAl系高熵合金的晶体结构、显微组织及其相应的性能,阐述增材制造过程中与快速凝固和复杂热循环有关的缺陷形成机制。此外,介绍并总结了几种旨在进一步提高FeCoNiAl系高熵合金性能的后处理方法。最后,展望了增材制造高熵合金未来的研究方向,以解决面临的挑战,加快其在工业领域的应用。

热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织的影响

为揭示GH3230高温合金的激光选区熔化增材成形性,研究了热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织及拉伸性能的影响。结果表明,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态存在凝固微裂纹,该裂纹在XOY截面呈现龟裂特征,在ZOY截面呈现线状;热等静压之后,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金的一部分微裂纹可以消除,另一部分较长的微裂纹难以消除。激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态组织基本为片状固溶体组织,在晶界附近存在少量析出碳化物;热等静压之后,在晶界附近析出大量的MoWCr碳化物,而晶内析出MoWCr碳化物数量多且尺寸较小。凝固微裂纹导致激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态XY方向抗拉强度及延伸率降低,而热等静压能减小大尺寸微裂纹,消除小尺寸微裂纹及气孔,可大幅提高XY方向的抗拉强度和延伸率。

激光增材制造镍基高温合金的高温变形行为与本构模型

开展了激光增材制造镍基高温合金在7种温度下的拉伸试验,通过断口分析、数据处理等手段研究了增材制造高温合金的破坏机制及本构模型。结果表明:镍基高温合金的屈服强度、抗拉强度随着温度的升高而降低;温度高于673 K时,塑性段出现锯齿流变现象,随着温度的升高,锯齿的密度减小;试件断口表面存在大量韧窝和撕裂棱,具有显著的韧性断裂特征;通过考虑应变和温度对材料塑性行为的耦合影响,建立了以J-C和Z-A模型为基础来拟合合金流动应力的改进本构模型,拟合值和试验值吻合较好,相对误差绝对值均小于4%;将有限元仿真结果和试验的载荷-位移曲线进行对比,进一步证明了所建立本构模型的准确性。

面向单晶高温合金叶片的激光增材制造修复研究进展

镍基单晶高温合金因其卓越的高温性能,成为航空航天发动机及燃气轮机涡轮叶片的关键材料。复杂的服役环境常导致叶片损伤,但传统修复方法难以满足其对微观组织和力学性能的严格要求。激光增材制造技术作为一种先进的修复方法,能够在较小的热影响区内实现材料的高精度修复,展现出显著的技术优势。然而,激光增材制造技术修复单晶叶片仍面临如何保持单晶完整性、控制冶金缺陷、优化狭窄工艺窗口等问题。此外,激光增材制造修复后热处理制度仍不完善,热处理后产生的再结晶等缺陷会严重影响单晶高温合金叶片的持久、蠕变等力学性能。本文综述了激光增材制造修复镍基单晶高温合金叶片的研究进展,重点探讨了修复过程中裂纹、杂晶缺陷的控制,梳理了对修复后热处理制度的探索历程并总结了激光增材制造镍基单晶高温合金力学性能的相关研究。最后对未来研究方向和发展趋势进行了展望。

用于干削刀具的增材制造难熔高熵合金研究进展

难熔高熵合金是一种有望用于干削刀具的新材料。高速干式切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。其在无冷却、润滑油剂的作用下,采用高切削速度进行切削加工。这对所使用刀具的红硬性、热韧性和高温耐磨性提出了极高的要求。在对高熵合金材料体系和制备工艺进行简单概述的基础上,介绍了激光增材制造难熔高熵合金发展现状,重点阐述了激光增材制造难熔高熵合金的成形特性、力学性能和抗高温氧化性的研究进展,为新型高熵合金干削刀具材料的研发和制备提供参考。

高熵合金在激光增材修复中研究应用进展

在修复再生领域,激光增材修复是研究的热点和应用的重点,该技术具有绿色、节能等多重特征,充分发挥其价值,有利于创造较高的经济和生态效益。在激光增材修复中应用高熵合金,有利于实现修复再制造与新兴材料的深度融合,不仅能提升原材料利用率,还能保证原材料质量,提升金属材料在实际生产中的应用价值。文章分别介绍了激光增材修复技术与高熵合金的研究应用现状,并对高熵合金在激光增材修复中的研究应用进展进行分析,以供参考。

激光增材制造与连接GH4169合金的热处理工艺研究

采用激光增材制造技术制备了GH4169合金母材样品,并采用相同的工艺参数实现了母材的激光增材连接,检测了不同热处理状态下合金的拉伸性能,分析了性能改变的内在机理。结果表明:凭借激光增材制造技术热影响区小的优势,热处理前后母材与连接区域处微观组织的演变基本一致。沉积态合金呈典型的柱状晶组织,且二次枝晶并不发达,γ+Laves共晶相呈条带状和岛链状沿晶界分布;均匀化+固溶处理后Laves相发生分解并回溶入基体,并伴随着柱晶的粗化;当进行双重时效处理时Laves相的分布状态发生改变。不同热处理工艺试样的拉伸性能均高于同合金铸态指标,热处理对Laves相的含量和分布状态的改变是影响其强度和塑性的主要因素。

高熵铝化物微叠层复合材料增-等材制备及组织性能研究

目的研究高熵合金和铝增-等材复合制备材料的成形性能,以及制备的高熵铝化物微叠层复合材料的组织和力学性能。方法首先研究了高熵合金和铝的复合材料增-等材制备各环节的成形性能,然后使用SEM、EDS、XRD分析了复合材料铝化物层的微观组织和生长动力学,最后从显微硬度、三点弯曲性能、断裂韧性、动态压缩强度的角度研究了复合材料的力学性能。结果选区激光烧结成形的实物没有翘曲、弯曲等明显宏观缺陷,渗流铸造的复合材料孔洞较多,个别区域出现了较大尺寸的缺陷,真空热压烧结使复合材料结合紧实;复合材料的扩散行为是高熵合金扩散到Al层,Al基本不发生扩散;复合材料铝化物层的显微硬度高于铸造和SPS制备的高熵合金的显微硬度,随着靠近Al层,硬度呈降低现象,三点弯曲性能和断裂韧性随反应时间的延长而降低,动态压缩强度随反应时间的延长而提高。结论高熵铝化物微叠层复合材料的增-等材复合制备材料成形性能良好;复合材料铝化物层的组织组成是Al3(Co,Cr,Fe,Ni),扩散层生长是晶内扩散和界面反应控制的混合型生长;铝化物层对复合材料性能的影响很大,其厚度增加,使复合材料三点弯曲性能和断裂韧性降低,动态压缩强度提高。

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果在相同的∆K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lgC呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。

激光增材高强铝合金工艺、性能及组织的研究进展

高强铝合金作为一种轻质材料因强度高、耐腐蚀、耐高温等性能优越,在众多领域拥有广泛的应用前景,如航空航天、汽车制造、模具生产等。然而由于高强铝合金存在热导率高、对激光反射率大、容易氧化以及热裂倾向大等缺点,使得传统制造业难以一次成形复杂结构。作为增材制造的高精密加工工艺,激光选区熔化(SLM)技术以逐层堆叠原理为基础,可将复杂的结构件一次成型,从而突破造型、结构等方面的局限,开辟出一条全新的高强铝合金制造之路。此文主要从SLM工艺优化以及添加形核材料等过程总结了工艺、力学性能、显微组织等方面的变化,并阐述了未来的展望。

退火温度对激光增材制造CoCrFeMnNi高熵合金耐点蚀性能的影响

目的研究激光增材制造CoCrFeMnNi高熵合金经不同温度退火后,微观组织演变对其在NaCl溶液中的耐点蚀性能的影响规律。方法采用激光选区熔化(SLM)技术制备CoCrFeMnNi高熵合金,通过X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)研究其退火后的微观结构。利用动电位极化和电化学阻抗谱(EIS)测试研究SLM成形高熵合金的耐点蚀性能,并通过X射线光电子能谱(XPS)分析钝化膜成分。结果经过不同温度退火后,高熵合金相组成并未改变,均为单一的面心立方结构固溶体。然而高熵合金的微观组织发生了明显转变,退火前微观组织由熔池、柱状晶及胞状亚晶所组成。随着退火温度的升高,熔池边界与亚晶结构逐渐消失,晶粒逐渐长大。SLM成形高熵合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀类型主要为点蚀。随着退火温度从700℃提高至1100℃,高熵合金的腐蚀电流密度先减小、后增加,700℃退火试样相较于打印态试样,腐蚀电流密度下降了97%。打印态和700℃退火试样的钝化膜中Co+Cr+Ni与Mn+Fe阳离子含量的比值分别为1.38和1.61,钝化膜中Cr本征氧化层厚度分别为5.43 nm和5.75 nm。结论高熵合金耐点蚀性能随退火温度的升高,先提升、后降低。胞状亚晶有利于阻碍点蚀坑的扩展,并促使形成稳定的钝化膜。高熵合金经700℃退火,在消除部分熔池边界的同时,保留了胞状亚晶,因此表现出最佳的耐点蚀性能。