西工大苏海军团队新突破!高强共晶高熵合金复合材料激光增材制造
时间:2023-06-21 09:28 来源:材料科学与工程 作者:admin 阅读:次
近日,西北工业大学苏海军教授团队报道了一种激光粉末床熔融制备的新型SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料。新型EHEA复合材料的微观组织特征,机械性能,以及开裂行为得到了详细的研究。结果表明,EHEA复合材料的极限抗拉强度约为1.5 GPa,延伸率为9%,处于目前采用激光增材制造工艺制备先进金属材料性能的领先水平。但是,在较大尺寸的复合材料构件中会出现严重的宏观横向和纵向裂纹,以及少量微裂纹。分析表明,凝固微裂纹的形成与碳和氧化物颗粒的聚集有关;由于长柱状晶的补液能力有限以及凝固收缩的作用,微裂纹在凝固最后阶段形成。宏观裂纹的形成是由试样边缘的拉应力积累引起的,微裂纹和孔隙所在的应力集中区是主要的扩展位置。相关工作以题为“Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion”的研究论文发表在Journal of Materials Science & Technology, 2023, 163: 81-91。
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.003
1、开裂行为研究
宏观裂纹的形成是凝固裂纹和冷裂纹共同作用的结果。首先在凝固后期,大柱状晶呈现一个狭长的补液通道,熔体中不规则颗粒的存在进一步阻碍熔体补缩;增强颗粒和基体的热膨胀系数差异使得界面处应力集中,在凝固收缩的作用下诱发微裂纹产生。打印结束后,构件顶端中心区域及底部边缘区域承受显著的拉应力;大量孔隙在构件边缘区域堆积,降低边缘强度,当边缘变形量过大,宏观裂纹产生。
图1开裂区域的EBSD结果: (a) 衍射质量图; (b) IPF图; (c) KAM图; (d) 晶粒对的错配值
图2 开裂机制示意图: (a) 凝固裂纹形成倾向; (b) 冷裂纹形成倾向
2、机械性能各向异性
显微硬度测试和室温压缩性能测试表明,复合样品表现出机械性能的各向异性。当加载方向平行于构建方向(Building direction, BD),试样呈现较高的压缩屈服强度,较低的抗压强度;当加载方向垂直于构建方向,试样具有较低的压缩屈服强度和相对较高的抗压强度。从力学各向异性的角度来看,试样屈服强度与抗压强度呈现相反的趋势,说明导致不同性能各向异性的主要因素不完全相同。
图3 (a) 复合材料在水平和垂直截面上的显微硬度值; (b) 复合材料沿构建方向和垂直于构建方向的压缩性能曲线
图4 复合材料泰勒因子分布图: (a) 水平截面; (b) 垂直截面
3、室温拉伸性能
拉伸性能测试表明,沉积态EHEA复合材料水平样品(加载方向垂直于构建方向)的屈服强度、抗拉强度和延展性分别为1147 ± 29 MPa, 1466 ± 26 MPa和9% ± 3%,优于大多数未经后处理的激光增材制造成形先进金属结构材料性能。与激光粉末床熔融制备的未添加陶瓷颗粒的纯EHEA样品相比,复合材料样品的延展性明显降低,这是由于硬质颗粒和微裂纹的存在造成的。此外,试样强度的增加可能是源自于固溶强化和位错强化,需要在未来进行更深入的研究。
图5 (a) 复合材料拉伸应力应变曲线; (b) 与激光增材制造成形高熵合金材料的室温力学性能比较
4、结论与展望
本文探究了利用激光粉末床熔融制备SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料的可行性,并成功证明了其作为高性能结构材料的潜力。这些发现将为高熵合金复合材料的设计提供理论及技术基础,使得具有高性能优异成形性的新型高熵合金材料得到快速发展,从而加速推动高熵合金的工程化应用。
通讯作者简介
苏海军,西北工业大学材料学院教授、博士生导师,材料学院副院长。国家优秀青年科学基金获得者,中国有色金属创新争先计划获得者,入选国家首批“香江学者”计划,陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究,涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷、生物陶瓷、钙钛矿太阳能电池、结构功能一体化复合材料以及定向凝固与增材制造技术等。主持包括国家自然基金重点、优青等6项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目,发表SCI论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及1项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西省青年科技奖各1项。
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