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选区激光熔化Al0.3CoCrFeNiCu高熵合金成形工艺优化及性能研究

选区激光熔化Al0.3CoCrFeNiCu高熵合金成形工艺优化及性能研究

作     者:袁碧亮 

作者单位:广东工业大学 

学位级别:硕士

导师姓名:张鹏

授予年度:2022年

学科分类:08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程(可授工学、理学学位)] 

主      题:选区激光熔化 高熵合金 工艺优化 力学性能 增材制造后处理 

摘      要:高熵合金具备的优异性能使其在航空航天、生物医疗及交通运输等行业发挥着越来越关键的作用。以传统电弧熔炼、感应熔炼等方法为主的高熵合金制备工艺往往无法避免产生偏析、夹杂等缺陷,并且合金构件尺寸和形状受限,难以满足工业上众多复杂零部件的使用需求。选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)作为一种成形精度高、产品形状不受限的增材制造技术之一,已经成功被用于制造精密复杂或个性化程度高的金属零件。另外,AlCoCrFeNiCu高熵合金具有优良的强度-塑性综合力学性能和机械加工性。因此,本文以AlCoCrFeNiCu高熵合金预合金化粉末为原材料,系统地研究选区激光熔化性能-工艺-组织的内在关系,并寻求最佳选区激光熔化制备和后处理方案,为增材制造高熵合金的工业应用提供理论基础。首先,研究了包括激光功率、扫描间距、扫描速度和扫描策略四种工艺参数对AlCoCrFeNiCu高熵合金致密度、微观组织和缺陷分布的影响。得到最佳工艺参数为:激光功率150W、扫描速度500 mm/s,扫描间距0.06 mm和分区扫描策略,在此工艺参数下合金相对密度能达到99%以上。微观组织分析表明,选区激光熔化成形AlCoCrFeNiCu高熵合金由FCC固溶体构成,观察到典型的“鱼鳞状熔池形貌,微观组织为柱状晶粒,并存在不规则气孔和微裂纹。力学性能结果表明,该成分合金的压缩屈服强度大于360 MPa,表面硬度大于250 HV。其次,对比研究了最佳工艺参数下制备的AlCoCrFeNiCu高熵合金与传统铸造同成分高熵合金的微观组织、力学性能和耐蚀性能。选区激光熔化高熵合金的微观组织主要由细小柱状晶组成,晶粒内部具有胞状结构和大量几何位错。晶体取向为沿平行建造方向的{100}织构。另外,与同成分铸造合金相比,由于快速冷却的特点,选区激光熔化高熵合金没有富Cu偏析现象。再者,选区激光熔化高熵合金的力学性能和耐蚀性能较传统铸造合金均得到显著提高,其力学强化效应归因于细晶强化、亚晶强化和位错强化,而高耐蚀性主要归因于Cu偏析的消除。最后,研究了选区激光熔化AlCoCrFeNiCu高熵合金经退火处理后的组织和性能。退火后合金由FCC基体和L1纳米析出相组成,合金以600℃保温10 h退火处理后压缩屈服强度和硬度分别从418 MPa和256 HV提高到了660 MPa和357 HV。其强化机理是位错剪切机制主导的L1纳米析出相沉淀强化,这种析出相能在长达150 h的退火处理中保持稳定。此外,对比选区激光熔化高熵合金退火前、后的耐腐蚀性能,退火态合金腐蚀后表面光滑无明显点蚀坑,自腐蚀电流密度由退火前的7.2×10 A·cm降低到退火后的6.7×10 A·cm,耐腐蚀性有较大提高。

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