顆粒在線訊：激光熔化沉積(LMD)技術(shù)是一種以粉末為原料，用以制造大型金屬構(gòu)件的增材制造(AM)技術(shù)。然而，該技術(shù)制備出的金屬構(gòu)件內(nèi)部通常具有較大的殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。常見的后處理強(qiáng)化手段主要為軋制、噴丸與激光沖擊強(qiáng)化等機(jī)械方法，其作用主要集中于金屬構(gòu)件表面、且會對其原有形狀進(jìn)行破壞?；谝陨峡紤]，在不破壞構(gòu)件原有形狀的前提下，本文提出一種簡單而有效的深冷處理(DCT)工藝來提高LMD制備的CoCrFeMnNi高熵合金(HEA)的力學(xué)性能，同時提升其室溫拉伸強(qiáng)度和塑性，突破了互為倒置關(guān)系的強(qiáng)塑平衡。實(shí)驗結(jié)果表明，LMD制備的樣品在經(jīng)歷不同時間的DCT處理后，會在其內(nèi)部誘發(fā)更大的殘余壓應(yīng)力和多種晶體缺陷亞微觀組織，主要包括位錯、層錯、納米孿晶和納米晶顆粒。其中，納米孿晶對DCT處理后的樣品的強(qiáng)化作用最為重要，其貢獻(xiàn)的理論屈服強(qiáng)度為51.0-246.8 MPa。塑性的提升主要?dú)w因于殘余壓應(yīng)力的引入可顯著抑制在塑性變形過程中裂紋的形成和擴(kuò)展。上述晶體缺陷產(chǎn)生于低溫浸泡過程中，這也導(dǎo)致了樣品在低溫處理后恢復(fù)室溫時內(nèi)部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的增加。本研究表明，DCT是一種能夠同時提高增材制造高熵合金強(qiáng)度和塑性的有效方法，不僅為增材制造高性能高熵合金的開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提供了一種新的后處理工藝思路，也將對其他增材制造金屬材料的強(qiáng)韌化處理起到一定的引領(lǐng)作用。

激光熔化沉積技術(shù)(LMD)已經(jīng)成為一種通用于多種金屬材料的激光增材制造(AM)技術(shù)，用于直接從金屬粉末原料制備復(fù)雜形狀的大型金屬合金構(gòu)件。與其他傳統(tǒng)的鑄造和鍛造方法相比，LMD具有超快的局部加熱和冷卻速度(103-104K/s)、加工周期短等獨(dú)特優(yōu)勢。一般而言，LMD制備的金屬合金構(gòu)件由于具有細(xì)小晶粒組織和高密度初始位錯結(jié)構(gòu)而體現(xiàn)高強(qiáng)度。然而，在LMD過程中，熔池內(nèi)的反復(fù)熔化和冷卻會產(chǎn)生較高的溫度梯度，從而導(dǎo)致打印后的金屬構(gòu)件內(nèi)不均勻分布的殘余應(yīng)力。以往的研究表明，塊體樣品內(nèi)部的殘余應(yīng)力狀態(tài)為在心部位置呈殘余壓應(yīng)力，在表面附近呈殘余拉應(yīng)力，這主要?dú)w因于在LMD過程中樣品的不協(xié)調(diào)的收縮和膨脹作用。不均勻分布的殘余應(yīng)力的存在將不可避免地影響增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能，尤其是其強(qiáng)度和延性。為解決該問題，通常采用常規(guī)退火處理來降低增材制造構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，調(diào)控微觀組織，但其很難提高構(gòu)件的強(qiáng)度。因此，退火處理很少被單獨(dú)使用，通常是結(jié)合其他后處理強(qiáng)化方法同時進(jìn)行，以消除LMD過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而恢復(fù)構(gòu)件本身的延展性。然而，傳統(tǒng)的后處理強(qiáng)化方法，如冷軋或扭轉(zhuǎn)等，會對增材制造的原有形狀造成破壞，而其他方法，如激光沖擊強(qiáng)化或激光噴丸等，只能處理暴露在構(gòu)件外部的自由表面，對尺寸較大或形狀復(fù)雜的樣品是無法起到很明顯的強(qiáng)化作用。因此，制約增材制造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的一個瓶頸是缺乏有效且無損的后處理強(qiáng)化方法。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的黃永江團(tuán)隊與大連交通大學(xué)的呂云卓教授，英國皇家工程院院士、香港大學(xué)顏慶云教授(A.H.W. Ngan)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)分析測試中心合作，提出并證明了深冷處理(DCT)是一種可以有效克服增材制造高熵合金強(qiáng)塑性倒置問題的后處理方法。DCT曾作為一種無損的方法被提出，它可有效地調(diào)整殘余應(yīng)力分布并調(diào)控微觀組織，以改善傳統(tǒng)方法制備的Ti和Ni合金的力學(xué)性能。在本研究中，我們選用已經(jīng)受到廣泛關(guān)注的CoCrFeMnNi HEA作為模型材料，證明DCT也可以在LMD制備的金屬樣品中會產(chǎn)生類似的有益效果。首先采用LMD技術(shù)制備了塊體CoCrFeMnNi HEA樣品，隨后對樣品進(jìn)行了不同時間的低溫浸泡處理，具體操作為將打印倉內(nèi)冷卻至室溫的塊體樣品取出并整體置于液氮內(nèi)，分別進(jìn)行77K低溫浸泡12h，24h，48h和120h，取出后進(jìn)行常溫水浴升溫至室溫，然后對詳細(xì)分析其內(nèi)部殘余應(yīng)力、組織演變和力學(xué)性能。研究重點(diǎn)在于揭示低溫深冷處理條件下晶體缺陷組織的形成，并定量分析不同強(qiáng)化機(jī)制對深冷處理后的高熵合金樣品的屈服強(qiáng)度的理論強(qiáng)度貢獻(xiàn)，最后利用有限元模型闡述了殘余應(yīng)力的形成與演變機(jī)制。相關(guān)研究成果以題“Overcoming the strength-ductility trade-off in an additively manufactured CoCrFeMnNi high entropy alloy via deep cryogenic treatment”發(fā)表于增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102546

圖1 LMD制造塊體CoCrFeMnNi HEA樣品:(a)LMD實(shí)驗示意圖，(b)和(c)原始CoCrFeMnNi HEA粉末的SEM圖像和X射線衍射圖譜，(d)LMD過程的掃描策略和(e)DCT過程示意圖。

圖2 (a)不同時間DCT處理后的XRD圖譜，(b)放大后的(111)峰的XRD圖譜，(c)殘余應(yīng)力測量結(jié)果(誤差棒表示每種條件下5次重復(fù)測量的范圍)。

圖3不同時間DCT處理后的EBSD圖像：(a) 12 h，(b) 24 h，(c) 48 h和(d) 120 h，以及DCT120h樣品內(nèi)部的元素分布圖。

圖4不同時間DCT處理后樣品內(nèi)部的透射電子顯微鏡圖像：(a) 打印態(tài)，(b) 12 h，(c) 24 h，(d) 48 h和(e, f) 120 h。

圖5(a)打印態(tài)和不同時間DCT處理后高熵合金試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)采用不同制備方法和后處理方法制備的具有fcc結(jié)構(gòu)的高熵合金與增材制造制備的傳統(tǒng)合金的屈服強(qiáng)度(σy)和斷裂延伸率(εf)比較。

圖6 DCT過程中晶體缺陷產(chǎn)生及殘余應(yīng)力演化示意圖。從(i)冷卻到(ii)導(dǎo)致低溫下晶粒中呈拉伸(T)熱應(yīng)力。在低溫浸泡(ii)到(iii)的過程中，在拉應(yīng)力的作用下慢慢產(chǎn)生缺陷(黃色標(biāo)記)，并部分松弛拉應(yīng)力。當(dāng)從(iii)再加熱到室溫(iv)時，由于缺陷形成和相應(yīng)的塑性變形，晶粒中產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力(C)，且延長低溫浸泡時間會產(chǎn)生更多的缺陷。

圖7 (a)有限元模型，(b)藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)(左軸)表示從彈粘塑性本構(gòu)模型預(yù)測的DCT過程中的熱(殘余)應(yīng)力變化，綠色數(shù)據(jù)點(diǎn)(右軸)表示溫度-時間圖。在(a)的有限元模型中，應(yīng)力在LMD塊的質(zhì)心處進(jìn)行評估。