選區(qū)激光熔化與感應(yīng)熔煉AlCoCrFeNi高熵合金中元素偏析比較分析

供稿人:李青宇，李滌塵

2004年，臺灣學(xué)者葉均蔚教授與其團(tuán)隊[1]提出了高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）的概念。高熵合金被定義為由五種或以上的元素按照5%-35%原子比例經(jīng)過混合形成簡單而無序的固溶體結(jié)構(gòu)，具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)及性能上的“雞尾酒”效應(yīng)。作為近幾十年來合金化理論的三大突破之一，其顛覆傳統(tǒng)的合金設(shè)計理念與獨特的高熵效應(yīng)使合金具備耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕和抗輻照等優(yōu)異性能。現(xiàn)有高熵合金的成形方法主要為通過感應(yīng)熔煉工藝形成鑄錠，著重在于研究合金本身固有特性，而以工程需求為驅(qū)動，耦合這種新材料與激光增材制造成形方法的研究較為少見。

2019年，瑞典烏普薩拉大學(xué)化學(xué)系的Karlsson[2]分別通過選區(qū)激光熔化與感應(yīng)熔煉成形了AlCoCrFeNi高熵合金，通過電子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction, EBSD）對兩種合金的晶粒尺寸進(jìn)行了評估，如圖1所示，由于選區(qū)激光熔化過程中凝固速率較快，晶粒尺寸一般小于20μm，遠(yuǎn)小于通過感應(yīng)熔煉成形合金的晶粒尺寸（＞300μm）。感應(yīng)熔煉高熵合金中枝晶與枝晶間區(qū)域可以明顯發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分不同，存在富FeCr和富NiAl區(qū)，而選區(qū)激光熔化合金中的微觀組織在納米尺度上才表現(xiàn)出一定的化學(xué)成分波動。通過原子探針層析技術(shù)（Atom Probe Tomography, APT）對感應(yīng)熔煉下成形的合金的微觀區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的檢測，如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)感應(yīng)熔煉成形的高熵合金微觀偏析相較于選區(qū)激光熔化更為明顯。根據(jù)Hall-Petch原理可知，同種材料的晶粒尺寸細(xì)小，微觀偏析小，則材料具備更優(yōu)異的力學(xué)性能。該研究為激光增材制造高熵合金提供了一定的理論依據(jù)。但是Karlsson也指出，在選區(qū)激光熔化AlCoCrFeNi高熵合金過程中，會出現(xiàn)一定量的裂紋，這也為激光增材制造大尺寸、復(fù)雜高熵合金零部件造成了一定的困難。

圖2 AlCoCrFeNi高熵合金電子背散射衍射圖

參考文獻(xiàn)：
Yeh J W, Chen S K, Lin S J, et al. Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6 (5): 299-303.
Karlsson, D.; Marshal, A.; Johansson, F.; Schuisky, M.; Sahlberg, M.; Schneider, J.M.; Jansson, U. Elemental segregation in an AlCoCrFeNi high-entropy alloy – A comparison between selective laser melting and induction melting[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 784: 195-203.

供稿人:李青宇，李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室