综述：高熵合金的增材制造（四）

江苏激光联盟导读：

本文为综述《Additive manufacturing of high entropy alloys: A practical review》的第三部分，主要介绍了采用激光冲击强化HEA时和获得无缺陷的HEA及其内在机制。

上文我们提到了激光冲击强化（LSP）在处理HEA时的积极结果。激光冲击强化是一种表面改性技术，可以实现材料表面纳米结构，由此实现提高材料的表面性能。江苏大学通过激光增材制造 CoCrFeMnNi高熵合金，然后利用LSP进行后处理。在LSP处理的过程中其显微组织的演变通过EBSD和TEM进行了观察。在横截面上的显微硬度和亚表面的残余应力随着激光能量的变化也给予了报道。结果表明LSP处理之后会导致一层硬化层的形成且具有较高的显微硬度，并将表面的拉伸应力转变为压应力。显微组织得到了显著的细化，这是因为在LSP处理之后在表面形成了纳米尺度的晶粒。一个新颖的晶粒细化的机制是在超高的塑性应变的条件下形成的也给予了提出。表面处理模型给予提出来描述强化行为和显微组织特征之间的关系，由此揭示出LSP处理之后的强化机制。

▲图1.?激光增材制造过程（上图）及其激光冲击强化的工艺过程（下图）

▲图2.?激光冲击强化CoCrFeMnNi HEA 时显微组织细化的示意图

▲图3. 激光冲击强化之后随着深度变化的显微硬度和相应的梯度显微组织的变化示意图

LSP可以有效的消除表面的拉伸残余应力和诱导一个压应力在表层以下几个mm之下形成。在最近，Tong等人检查了LSP对DLD制造的CoCrFeMnNi HEA的显微组织、残余应力状态和机械性能的影响。LSP可以有效的闭合表面层的气孔和改变残余应力状态，从拉伸应力变为压应力。五个LSP的冲击制造出一个梯度的显微组织，这一显微组织在上部表面的超细晶粒过渡到高密度的位错结构和次表面中的机械孪生，最后在基底中形成几个位错线，见下图5所示。气孔的闭合和表面自残余拉应力向残余压缩应力的转变对提高材料的机械性能至关重要。LSP工艺对DLD打印的CoCrFeMnNi HEA的屈服强度，极限拉伸强度和延伸率分别提高33.3 %, 7.3 %和 15.13 %。

2.7.获得无缺陷的AM制造的HEAs

基于近年来3D打印HEAs的最新进展，并不是所有的HEAs都适合采用AM技术来进行制备，这是因为该工艺所具有的非平衡的冶金本质以及易于产生裂纹、气孔和球化等特性造成的。为了制备出无裂纹的AM HEAs，几个主要的参数如粉末成分、激光特性和加工参数需要进行很好的调节。粉末的化学成分可以很好的改变特定合金系统的韧性和打印性能。例如，Luo等人发现Ni可以改变柱状晶向几乎为等轴晶进行转变和提高材料的韧性，因此无裂纹的AlCrCuFeNix合金只能在X=3.0的条件下采用SLM技术来获得。相似的研究成果在 HEA 中也有报道。

在目前，HEAs具有的密度为99.8 %可以采用SLM工艺来实现。优化工艺参数，利用SLM和DLD来制备出新的HEA是当前的主要工作，并且主要是通过试错的方法来进行的。然而，基于熔池形状和能量吸收以及消耗的准则建立起来的模型在SLM中已经被提出来并用于预测工艺参数和粉末化学成分。这一模型同时采用CoCrFeMnNi HEA进行了验证。依据这一模型，局部粉末床的能量吸收系数Qa应该是能量消耗系数Qc的3-8倍来打印出几乎致密的SLM HEA。依据Qa/Qc的数值取决于激光吸收率、比熱容和设计的HEA成分的潜热。这一模型具有潜在的估计SLM来打印各种不同的HEAs时所需要的适宜的激光能量，从而可以减少试错的实验时间和成本。然而，这一模型仍然需要通过实验来打印更多的HEAs。然而，Johnson等人提出的模型认为同匙孔、球化和SLM中的未熔合的工作窗口是熔池形状密切相关的参数。该模型计算了不同的激光参数和扫描速度的组合下，利用有限元热模型计算了熔池的形状。三个不同的工艺参数进行了定义，分别为 L/W, W/D和 D/t，此处 L、W和 D表示熔池的长度、宽度和深度，而t表示粉末层的厚度。门槛值 2 < L/W < π同熔池的球化现象相关，这个广泛的被认为是溶体的高原瑞利不稳定性（ Plateau-Rayleigh instabilities）的结果。W/D > 1.5的门槛值是得到匙孔的较为理想的大概值，这是由于金属蒸发造成的洼地的反冲区造成的。未熔合的门槛值同时也是用D/t >1.5来表示。这一模型对用来定制SLM成形HEA时的化学成分是比较有利的。

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