美国普渡大学丨定向能量沉积增材制造法高通量合成高熵合金
增材制造技术 (AM) 在高熵合金中的应用越来越受到关注，其极快的冷速 (103 –106 K/s)有利于形成过饱和固溶体，从而稳定HEAs的相结构，此外较快的冷却速度可实现晶粒细化，显著提高合金强度和硬度。而利用定向能量沉积技术(DED)能够直接原位合成成分可变的高熵合金。
普渡大学机械工程学院激光制造中心通过DED技术原位合成了三种不同微观结构的CoCrFeNiTi 高熵合金。通过微观结构分析，发现制备的HEAs的抗氧化性能可与铬镍铁合金625相媲美。该项工作对HEA的成分、组织、硬度、抗氧化性和耐磨性进行了详细的评价，为实际生产应用提供了借鉴意义。
一、
研究内容
研究团队利用DED工艺制备不同原子比的CoCrFeNiTi HEA合金。由于每种金属粉的流动性和密度不同，其实际成分与预混合成分之间存在偏差，最终设计3种不同的HEA组分H1、H2和H3。
为解决不完全熔化和改善化学异质性，研究团队通过改善打印参数，最终选择45-75μm片状的Cr粉末，形成未熔化的纳米颗粒和约200nm的团簇。打印件中未熔化颗粒的比例和尺寸很小，对力学性能和氧化性能的影响较小，通过增加激光功率、降低层厚度和降低扫描速度来增加能量密度，将减少不完全熔化问题，同时降低孔隙率。
图2 H1成分熔合区STEM图和EDX结果。
由于AM过程的逐道跟踪特性，可以观察到不同的熔合区(FZ)和热影响区(HAZ)，热影响区的大小取决于AM参数，即扫描间距和层厚。其中HAZ在蚀刻后比FZ显示出更深的对比度，利用EDX检测显示明暗相，分别对H1、H2、H3进行测量和标记。
图3 对于H1成分中不同相组织的SEM图和EDX结果。
图4 H2成分不同相组织的SEM二次电子图像和EDX结果。
图5 H3成分不同相组织的SEM二次电子图像和EDX结果。
通过XRD测试表征不同HEA的相结构，由于含大量的非均相成分，可能会形成少量的Ni4Ti3、Ni3Ti和NiTi，但没有明显的峰。从H1到H3，这些次级相的峰值强度逐渐降低，意味着体积百分比降低，因为不同相的相对强度可以量化它们的比例，三种XRD图谱均以FCC-γ峰为主。
图6 用DED方法合成的三种HEA合金的XRD谱图。
由于熔合区和热影响区组织的不均一性，为了在小尺度上了解不同区域的硬度，进行了维氏显微硬度试验。由于H3在熔合区和热影响区中具有相似的实际成分，因此H3的硬度标准差较H1和H2减小。同时比较三种设计合金的抗氧化性能，利用增重值结果比较，验证HEA合金在高温应用方面的潜力。
二、
总结
该研究提供了一种利用金属增材制造技术以低成本预混合元素粉末为原料，高通量开发新型HEA合金的方法。所设计的三种HEA均表现出与Inconel 625高温合金相当的抗氧化性，其大约比AISI M2高20倍，比AISI 52100轴承钢高30倍。由于H1和H2具有更高的硬度或，据报道该硬度比AISI M2和AISI 52100耐磨钢具有更好的耐磨性，因此H1和H2被认为具有巨大的耐磨应用潜力。
来源：增材制造硕博联盟
