金属顶刊《Acta》新方法！解决增材制造高熵合金热裂问题

导读：目前用于增材制造(AM)的合金设计面临的一个主要难题是热裂。与以往采用缩小凝固区间或引入晶粒细化相反，本研究提出了利用晶界偏析工程改变枝晶间和晶界区域的残余应力状态从而防止热裂新方法。这种晶界偏析工程方法可以利用现有的热力学和动力学数据库信息，系统地解决金属增材制造过程中的热裂问题。
近年来，增材制造(AM)已被证明是金属加工的颠覆性技术。人们对其微观结构形成机制及其对力学性能的影响认识有了很大的进展。尽管相关研究越来越多，但仍然存在一个主要问题，即热撕裂或热开裂。热裂纹的表面大多是光滑的，类似于在凝固的最后阶段由于液体膜的存在而形成的树枝状形貌。人们提出了许多理论来理解热裂纹的形成机理。最广为接受的理论可能是基于应变率的Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG)准则。考虑了半固态糊状区由于机械应变和凝固收缩引起的拉应力。一旦应力超过临界值，就会发生热裂。尽管从理论的角度进行了多次尝试，但仍然存在现有的理论或模型无法解释的实验观察结果。
通过焊接知识理解金属AM热裂纹问题是一个很好的点。到目前为止，在AM中防止热裂的合金设计工作主要集中在减小凝固范围或引入晶粒形核剂上。晶界偏析工程(GBSE)在防止热裂纹方面的应用鲜有报道。对于金属AM来说，它转化为在凝固结束时液膜性能的操纵，这是最容易发生热开裂的地方。一般来说，晶界偏析有利于有害金属间化合物的生长，从而使破外晶界完整性。据报道，在铸件中，某些分离诱导的金属间化合物有利于减少热裂纹。
基于此，南洋理工大学XipengTan和Zhongji Sun教授深入的研究了在SLM制造的高熵合金(HEA) CoCrFeNi中广泛的热开裂问题。CoCrFeNi合金的热裂纹是由高残余应力状态引起的。作者引入了晶界偏析工程GBSE方法，有效地消除了残余应力，以防止上述区域的AM出现热开裂。该相关研究成果以Reducing hot tearing by grain boundary segregation engineering in additive manufacturing: example of an AlxCoCrFeNi high-entropy alloy为题发表在Acta Materialia上。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116505

图1 SLM制备的(a) CoCrFeNi， (b) Al0.1CoCrFeNi， (c) Al0.5CoCrFeNi， (d) Al1.0CoCrFeNi代表性光学图像
图2 (a) SLM制备的CoCrFeNi、Al0.1CoCrFeNi和Al1.0CoCrFeNi及其铸件的拉伸图。(b) Al0.1CoCrFeNi， (c) Al0.5CoCrFeNi， (d) Al1.0CoCrFeNi的断口面。
Al1.0CoCrFeNi样本，除了和运动粘度的影响,主固化阶段是脆性B2阶段。因此，在Al1.0CoCrFeNi中同时发现了晶间和晶内冷裂纹。
与Al0.1CoCrFeNi和Al1.0CoCrFeNi样品相比,合金Al0.5CoCrFeNi具有独特的阶段序列。在凝固过程中，Al首先划分为枝晶间区和晶界区。初级B2凝固后，剩余液体形成FCC基体。FCC相通过固相转化转化为B2。最后，通过亚稳B2分解会变成B2和BCC的混合物。 图3 (a)各试样的XRD谱图显示，随着铝含量的增加，从FCC单相体系向BCC/B2混合物过渡。(b) Thermo Calc计算了所有样品在Scheil条件下的凝固路径。(c)通过Thermo Calc软件计算所有样品的运动粘度值。插入纯Ni的数据作为参考。(d) CoCrFeNi和Al0.1CoCrFeNi的代表性纳米压痕曲线。
图4 SLM制备的(a) CoCrFeNi， (b) Al0.1CoCrFeNi， (c) Al0.5CoCrFeNi， (d) Al1.0CoCrFeNi垂直于其构建方向的反极图(IPF)
图5 EBSD扫描垂直于SLM制备方向的Al0.5CoCrFeNi。(a)图像质量映射叠加的反极点图。EDS和交叉相关EBSD (CC-EBSD)的位置也被强调。(b)由图像质量图叠加的相位图。(c)用KS、NW和随机方向关系(ORs)标记相边界。不满足KS或NW的B2/BCC颗粒用黑色圈出。(d)图5(c)中KS(蓝色)和NW(黄色)相对于晶粒1的理论图。图中晶粒1中的BCC/B2晶粒相对于其母晶粒的方向。
图6在图5(a)中指定区域内的所有元素的SEM-EDS映射。
图7 (a) Al0.5CoCrFeNi亮场和暗场TEM图像。树突和树突间区域的SAED图案分别用蓝色和红色表示。(c) 亚稳态分解特征的放大视图。(d) FCC、B2/BCC接口HR-TEM
图8重构Al0.5CoCrFeNi的APT体积，显示(a)元素分布，(b) 14at.%Cr.的等表面。(c) 1D浓度剖面沿(b)中绘制的线，从FCC相到B2(NiAl)，最后到BCC(Cr)相
图9 在假设的局部平衡条件下，利用局部组分富集，Al0.5CoCrFeNi的(a)枝晶和(b)枝晶间区域的相演化。在(c)和(d)中分别使用枝晶间成分绘制了所有三相的摩尔体积和晶格参数。
这个特殊的枝晶间/晶界组织有助于大大减少Al0.5CoCrFeNi的裂纹密度。主要固化的B2相防止建立一个连续的液膜，并协助在树状桥接。总之，B2/BCC颗粒作为有效的机械吸收体，降低整体拉伸残余含量。如果有足够的含量，它们可以将残余应变从拉伸状态转换为压缩状态，这对减少热撕裂非常有利。 图10 Al0.5CoCrFeNi样品正应变组分的CC-EBSD结果。
图11 Al0.5CoCrFeNi样品微观结构中GNDs的映射。
图12 (a)至(d) Al0.5CoCrFeNi样品和(e)至(h) CoCrFeNi样品HAGBs的FIB-DIC环芯铣削。两个示例的构建方向都遵循平面外的方向
图13 0.5Al和0Al试样的残余应变随铣削步长(深度)的变化。
图14 Al0.5CoCrFeNi样品残余应力最小化示意图。(a)Al在凝固结束时向枝晶/晶界偏析。(b)沿晶界形成不连续的BCC/B2晶粒。(c)作用在晶界上的拉伸残余应力由BCC/B2晶粒通过晶粒变形和摩尔体积膨胀来调节。(d) BCC/B2晶粒的共同作用使大的拉伸残余应变变为小的压缩残余应变。

综上所述，本研究提出了一种利用偏析工程控制凝固结束时液态或半固态膜性能的新方法，以防止AM制造的金属和合金发生热裂。这种方法被认为特别有助于减少应力传导热裂纹。与其他现有的应对热裂纹的方法，如细化晶粒和降低凝固范围，旨在扩展我们现有的材料工具库，并推动金属AM技术领域的进一步发展。

来源：材料学网materials