Sammenlignet med traditionel CrMnFeCoNi højentropi-legering udviste 3D-printet kulstofholdig FeCoCrNiMn højentropi-legering fremragende krybemodstand ved høje temperaturer (dvs. krybehastighed og tærskelspænding minimeret). Inha University og Korea Institute of Materials Science undersøgte højtemperatur-krybeadfærden af laserpulverbedfusion (LPBF) kulstofholdige højentropi-legeringer for første gang og forklarede indflydelsen af nanoskala-carbider på krybemodstanden.
Det kulstofholdige CrMnFeCoNi HEA (herefter benævnt C-HEA)-pulver indeholdt 1,5 at % C og en gennemsnitlig partikelstørrelse på 23,7 μm. Scanningshastigheden for laserpulverbedfusion (LPBF) er 600 mm/s, effekten er 90W, scanningsafstanden er 0,08 mm, og lagtykkelsen er 0,025 mm. For at stabilisere underkornene og danne yderligere nanoskala carbidpartikler blev prøverne varmebehandlet ved 650 grader i en time.
Højtemperatur-krybetesten af LPBF C-HEA blev udført under en konstant belastning på 175-325 MPa ved en temperatur på 873 K (temperaturstabiliteten på 0.2 K blev opretholdt under krybetesten, som vist i figur 1), og prøvens krybetest. Intervallet er 86.4 K. For at stabilisere krybestammen skal en krybetest af 259,2 ks blev udført ved 150 MPa efterfulgt af en flertrins krybetest.
Figur 2 viser SEM–EDS-spektret og EBSD-analyseresultaterne af LPBF C–HEA. De indgående elementer i LPBF C-HEA viste sig at være ensartet fordelt selv efter varmebehandling, hvilket tyder på, at LPBF og efterfølgende varmebehandling ikke påvirker den sammensætningsmæssige ensartethed af mikron-skala HEA. Figur 2b viser EBSD inverse pole figur (IPF) kortet ved lav forstørrelse og afslører, at legeringen har en lagdelt og uensartet kornstruktur. Efter varmebehandling gjorde den gennemsnitlige kornstørrelse (AGS) ikke ændre sig betydeligt og lignede den for den as-built C-HEA. Bemærk, at EBSD-resultaterne og XRD-mønstrene i figur 2b bekræfter, at den nuværende legering har en enkelt fase af FCC. IPF-kortet med høj forstørrelse viser tydeligt stærkt takkede korn grænser (GBs), hvilket væsentligt forbedrer højtemperaturkrybning ved at hæmme GB-glidning (fig. 2C 1). Geometrisk nødvendige dislokationer (GND'er) danner lavvinklede korngrænser (LAGB'er) inden i kornene (fig. 2C), og legeringen udviser stadig en ekstrem høj GND-densitet efter varmebehandling ved 650 grader.
Dannelsen af takkede korngrænser ses hovedsageligt i anden fase-partikler indeholdt i metalliske materialer, såsom nikkel-baserede superlegeringer og magnesiumlegeringer. Dannelsen af takkede GB'er på grund af anden fase-partiklers pinning-effekt under kornvækst er blevet veldokumenteret Med andre ord fører varmebehandling til kornvækst, og andenfasepartiklerne hæmmer kornvæksten i lokale områder, hvilket resulterer i zigzag udseende af GB. Den ældningsbehandling, der blev brugt i denne undersøgelse, inducerede imidlertid ikke nogen kornvækst, hvilket tyder på, at de stærkt takkede korngrænser i denne legering er forårsaget af smeltnings- og størkningstrinnene af LPBF. I en nylig rapport, 3D-printet metallisk materialer med in situ-udfældning udviste også takkede GB. Bemærk, at den stærkt takkede GB er blevet set i den as-built C-HEA. antyder, at pinning-effekten er forårsaget af den høje tæthed af in-situ carbider ved korngrænserne under den cykliske varmebehandling, hvilket resulterer i stærkt takkede korngrænser.
Figur 3a er ECC-billedet af LPBF C–HEA, der viser eksistensen af understrukturer induceret af dislokationsnetværket. Den målte gennemsnitlige bredde af disse understrukturer er 534,2 ± 16,3 nm. Tidligere undersøgelser har vist, at understrukturen er stabiliseret af yderligere dannet nanoskala carbid udfældninger med delvist omarrangerede dislokationer.Figur 3b viser, at der er et stort antal uregelmæssigt formede carbider i nanostørrelse (hvide pile) ved understrukturens grænser.HAADF STEM-billeder og tilsvarende EELS-kort blev erhvervet for yderligere at forstå den kemiske heterogenitet inde i karbider, som vist i fig. 3c. Nanocarbiderne er hovedsageligt sammensat af Cr og C, hvilket indikerer, at disse carbider er rige på Cr.
Som vist i fig. 4, til støtte for disse fund, termodynamisk beregnede ligevægtsfasediagrammer for den kemiske sammensætning af LPBF C–HEA ved hjælp af Thermo–Calc-softwaren og en opgraderet version af TCFE2000-databasen. Fasediagrammet viser, at M23C6-type karbider er hovedsageligt dannet i temperaturområdet 500-1000 grader, hvilket indikerer, at Cr23C6-fasen er den vigtigste komponent af LPBF C–HEA. På den anden side findes Cr23C6-carbiderne af CoCrFeMnNi HEA i litteraturen i en skala på flere mikrometer, og kulstofindholdet er 1.3-1.8 at%.I modsætning hertil, legeringen indeholder karbider i nanostørrelse, selv efter varmebehandling, hvilket tyder på, at en metastabil understruktur med en høj tæthed af dislokationer styrer dannelsen af carbider i nanostørrelse med en ensartet fordeling. I mellemtiden blev manganrige oxider også observeret på EELS-kortene, og de blev rapporteret at bestå af MnO i LPBF C–HEA. MnO-fasens styrkende effekt er dog lav i forhold til Cr23C6; derfor betragtes carbider som de vigtigste bidragydere til styrken i denne undersøgelse.
Figur 5a viser krybekurverne på flere niveauer for LPBF O–HEA, LPBF C–HEA og LPBF CrMnFeCoNi forstærket med nanooxider. I alle krybespændingsintervaller udviste LPBF C–HEA lavere krybebelastning (dvs. højere krybemodstand) end referencematerialerne (LPBF CrMnFeCoNi og LPBF O–HEA). Desuden sammenlignet med kryberesultaterne af LPBF CoCrFeMnNi, LPBF C–HEA udviste den laveste minimumskrybehastighed i alle krybespændingsområder. Især ved en påført spænding på 225 MPa, den mindste krybehastighed for LPBF C-HEA er omkring to størrelsesordener lavere end for konventionelt forarbejdede legeringer. Dette betyder, at varmebehandling ikke kun forbedrer de mekaniske egenskaber ved stuetemperatur, men også forbedrer højtemperaturkrybningen. resistens i det additivt fremstillede HEA, som indeholder overmættet kulstof induceret ved hurtig størkning. De sorte prikker for enkelttrinskrybningen i fig. 5b indikerer den gode pålidelighed og reproducerbarhed af flertrinskrybningstesten.
Som vist i figur 6 blev højtemperatur-krybedeformationsadfærden af LPBF C-HEA undersøgt ved at undersøge mikrostrukturen i stor skala ved hjælp af GND-fordelingskortet og IPF-kortet. En tidligere undersøgelse af krybeadfærden af ækviatomiske CrMnFeCoNi HEA'er fandt en signifikant stigning i belastningen under krybning ved 873 K, især når en stor mængde stress blev påført, hvilket tyder på mikrostrukturelle evolution. Imidlertid viser IPF-plottet i figur 6, at der ikke skete nogen mikrostrukturel udvikling i krybeprøven med en krybedeformation på 7 %, selv ved en påført spænding på 325 MPa. Ydermere, som vist i figur 7a, blev der ikke observeret understrukturer i EBSD-kortet over den oprindelige prøve viste sig at forekomme i krybemikrostrukturen. Dette indikerer, at den unikke initiale mikrostruktur undertrykker dislokationsbevægelse og mikrostrukturudvikling og fører til den fremragende krybemodstand af LPBF C-HEA. Som angivet af de sorte pile i figur 6 blev ultrafine korn med en størrelse på ~2 μm observeret i nogle regioner, som vil blive diskuteret senere.
Som vist i figur 7a, IPF-kort i høj opløsning af en krybeprøve. De alvorligt takkede GB'er observeret i krybemikrostrukturen tyder på, at nanoskala carbider forårsager alvorlige GB-rage under krybedeformation. I mange tilfælde af FCC-baserede metalliske materialer hindrer takkede GB'er korn grænseglidning og derved forbedre krybemodstanden ved høje temperaturer. Rapporterede, at den øgede krybemodstand var forbundet med lavere kavitation hastigheder og revneudbredelse gennem GB-savninger. For austenitiske rustfrie stål er dannelsesmekanismen for takkede korngrænser sædvanligvis relateret til interaktionen mellem korngrænser og karbidudfældninger: 1) korngrænsevandring mellem fastgjorte korn og 2) indflydelse af carbidvækst. LPBF C–HEA viste ingen vækst af karbider efter krybedeformation (fig. 7c–d). Det kan derfor udledes, at dannelsen af takkede korngrænser kan tilskrives korngrænsevandringen mellem fastgjorte partikler.
GND-profilen i fig. 7b viser underkornene i krybeprøven. Selvom ECC-billedet (fig. 3a) viser, at den oprindelige prøve har understrukturer dekoreret med dislokationsnetværk, kan understrukturerne ved EBSD-observation ikke skelnes. I modsætning hertil indeholdt krybeprøverne klart underkorn med høj GND-densitet, hvilket indikerer, at dislokationer akkumulerede ved underbygningsgrænser såvel som korngrænser under højtemperaturkrybning. Dette viser, at underbygningsgrænserne med succes kan blokere dislokationsbevægelse selv under krybedeformation ved høj temperatur. ECC-billeder med høj forstørrelse understøtter stærkt akkumulerede dislokationer ved underkornsgrænser (fig. 7c). Her forklares mekanismen for lattice pinning og dislokationsforbindelser af HEA ved den fælles effekt af skovdislokationer og koncentreret opløsningshærdning. Den foreliggende legering udviser imidlertid underkorn med høj GND-densitet efter krybedeformation, hvilket tyder på, at krybemekanismen af LPBF HEA nanokompositter er noget anderledes end deformeret HEA. Dernæst blev ECCI brugt til at undersøge de omkrystalliserede ultrafine korn i krybeprøverne (fig. 7d), som har en lav indre dislokationstæthed og er begrænset af karbider. For metalliske materialer er drivkraften kraften til omkrystallisation øges gradvist med stigende temperatur. Men i betragtning af, at LPBF C–HEA genererer en stor mængde nedbør, hvilket fører til Zenner pinning tryk, undertrykkes rekrystallisation selv ved høj temperatur. Derfor undergik LPBF C–HEA ikke nogen mikrostrukturel udvikling, såsom genvinding og omkrystallisation, under højtemperatur krybedeformation efter påføring af en spænding på 325 MPa. Selvom der blev observeret omkrystalliserede ultrafine korn i nogle regioner var de indespærret af nanometer-størrelse carbider, hvilket forhindrede yderligere kornvækst. Omhyggelig undersøgelse af krybedeformationsstrukturen af ECCI og EBSD førte til den konklusion, at stabile underkorn med et dislokationsnetværk og nano-størrelse carbider forsinker genvinding og omkrystallisation under krybedeformation, samtidig med at den dislokationsnetværk inducerede understruktur styrkes yderligere.
Oversigt:
Den additive fremstillingsproces og den efterfølgende varmebehandling af kulstofholdigt CrMnFeCoNi HEA fører til dannelsen af ikke kun heterostrukturkorn med understrukturer dekoreret med dislokationsnetværk, men også ensartet fordelte karbider ved korn- og underkornsgrænser.
Højtemperaturkrybemodstanden for LPBF C-HEA er bedre end den for rapporterede CrMnFeCoNi højentropi legeringer. Krybehastigheden for C-HEA er to størrelsesordener lavere end konventionelt behandlet HEA.
Mikrostrukturel observation bekræfter, at stabile underkorn inducerer dannelsen af ekstremt takkede korngrænser, som yderligere styrker underkornene og hæmmer omkrystallisation under højtemperaturkrybning, hvilket resulterer i fremragende krybemodstandssex.
Nøgleord:Additiv forskning, Metaladditiv fremstilling, Mana Materialer, Metal 3D-print
