韩国仁荷大学顶刊丨优异的高温蠕变性能！激光粉末床熔融沉淀硬化高熵合金

14天前浏览1023

摘要

韩国研究团队利用激光粉末床熔融增材制造技术和热处理，成功制造了含碳的CrMnFeCoNi高熵合金纳米复合材料。该材料具有均匀分布的纳米碳化物析出物和异质结构晶粒，显著提高了高温抗蠕变性能。这种材料在高温下表现出卓越的稳定性，为飞机、航天器等关键部件提供了新的制造解决方案。研究成果已发表于《Materials & Design》期刊。

正文

近日，韩国仁荷大学材料科学与工程系和韩国材料科学研究所 (KIMS) 的研究团队通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料。热处理步骤不仅会产生异质结构晶粒，而且会在晶粒和子结构边界处产生均匀分布的纳米碳化物析出物。与其他 CrMnFeCoNi HEA高熵合金相比，通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺制造的C-HEA高熵合金表现出优异的高温抗蠕变性能。

相关研究成果以题为“Superior resistance to high–temperature creep in an additively manufactured precipitation–hardened CrMnFeCoNi high–entropy alloy nanocomposite” 发表在著名期刊Materials & Design上。

Graphical abstract

高温性能是一个理想的标准，特别是对于用作飞机、航天器和运输的下一代结构部件的材料，因为这些材料需要对极端环境具有高耐受性。在这方面，高熵合金（HEA）是作为下一代结构部件的有希望的候选者，因为它们在较宽的温度范围内具有优异的物理、化学和机械性能。

在 HEA 家族的众多成员中，面心立方 (FCC) 结构的等原子 CrMnFeCoNi（称为坎托合金）由于其优异的拉伸强度、断裂韧性、高循环性能而受到越来越多的关注。近年来，这种CrMnFeCoNi合金体系的抗蠕变等高温力学性能受到广泛研究。

研究结果表明，尽管蠕变行为主要由缓慢的元素扩散主导，但其抗蠕变性并不优于其他 FCC 结构的金属材料。因此，为了进一步提高HEA的高温机械性能，需要额外的后处理或添加合金元素，但这些补救措施会增加成本并使制造过程复杂化。在这种情况下，有希望的解决方法是向 HEA 添加具有成本效益的间隙原子，同时可以优化组件的几何形状。

金属增材制造（AM）技术能够制造具有净形状的高性能金属产品，并为设计具有更复杂几何形状的组件和强化材料结构提供无限可能性。在适用于金属零件制造的增材制造技术中，选区激光熔融（SLM）金属3D打印技术不仅可以最大限度地提高几何形状的自由度，还可以最大限度地提高机械性能。

研究团队发现通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料具有优异的机械性能。人们已经认识到添加碳可以提高强度，同时保持延展性。此前有研究证实添加高达 3.3 at% 的碳可以同时提高 CrMnFeCoNi HEA 的强度和延展性。此外，有研究发现LPBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺可以使 CrMnFeCoNi HEA 高熵合金中的碳过饱和，而不会引入任何大的缺陷和裂纹，这种碳水化合物的过饱和通过后热处理。此外，该合金在室温下具有 1.2 GPa 的优异拉伸强度和20%的延展性。