高熵合金(High entropy alloys，HEAs)是基于最大化混合構(gòu)型熵的新型合金設(shè)計(jì)策略所開發(fā)出的一種合金體系[1-4]

高熵合金設(shè)計(jì)策略最吸引人的特點(diǎn)是它為開發(fā)具有獨(dú)特性能的合金提供了廣泛的成分空間[5]

然而，目前高熵合金的制備路線以傳統(tǒng)的熔煉鑄造和隨后的熱機(jī)械加工(冷軋和退火)為主[6-7]

而利用傳統(tǒng)方法制備復(fù)雜幾何形狀的部件時(shí)存在效率低以及實(shí)際應(yīng)用成本高等不足

選區(qū)激光熔融(Selective laser melting, SLM)制備工藝是增材制造技術(shù)中的一種粉末床熔融制備工藝

該工藝能夠通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，自動(dòng)制備具有精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀的部件，而且能夠通過靈活的逐層控制策略調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，獲得具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的金屬部件[8-13]

為了拓寬高熵合金的制備路徑和優(yōu)化內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)，許多研究人員力求通過SLM工藝制備高性能的高熵合金

例如，ZHU等[14]通過SLM制備了具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)的FeCoCrNiMn高熵合金，并獲得了良好的綜合力學(xué)性能的

SONG等[15]發(fā)現(xiàn)增材制造的FeCoCrNi-N高熵合金中氮元素的引入能夠誘導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，從而促進(jìn)了強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提升

另外，SLM逐層加工、粉末重熔和快速凝固的特點(diǎn)導(dǎo)致凝固前沿存在高的熱能梯度[16]

同時(shí)SLM加工過程中的能量輸入和散熱方向受掃描策略的影響，例如激光掃描速度、偏轉(zhuǎn)角度、功率、層厚等[8, 17-20]

因而SLM的制備工藝影響所制備金屬部件的微觀結(jié)構(gòu)

ALMANGOUR等[18]通過改變SLM的掃描策略來調(diào)控TiC/316L不銹鋼納米復(fù)合材料的織構(gòu)，研究表明，可以通過調(diào)控掃描策略來優(yōu)化SLM加工過程中的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

CHENG等[17]利用有限元研究了激光束掃描路徑對(duì)所構(gòu)建部件力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明，45°的掃描偏轉(zhuǎn)角度制備的樣品在X軸方向上的應(yīng)力分量較低

另外，結(jié)合高熵合金多主元概念所帶來的廣闊的成分設(shè)計(jì)空間和SLM調(diào)控多層級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，能夠?yàn)楦咝阅芙饘俨牧系脑O(shè)計(jì)和制備開辟新道路

FeCoCrNiMn高熵合金是目前研究最為廣泛的一種面心立方結(jié)構(gòu)高熵合金，即使在極端低溫下(77 K)也具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但室溫下的屈服強(qiáng)度低[21-22]

間隙固溶強(qiáng)化機(jī)制的引入能夠有效提升面心立方結(jié)構(gòu)高熵合金的強(qiáng)度[15, 23-25]

因此，在本研究中，引入少量的N和Si元素到FeCoCrNiMn高熵合金中，利用選區(qū)激光熔融工藝構(gòu)建多層級(jí)結(jié)構(gòu)，從而利用多層級(jí)結(jié)構(gòu)在變形過程中產(chǎn)生的多種強(qiáng)化機(jī)制來獲得更優(yōu)異的力學(xué)性能

本文采用三種不同的掃描策略(45°，67°，90°掃描偏轉(zhuǎn)角)制備塊狀的FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金，系統(tǒng)研究激光掃描偏轉(zhuǎn)角度對(duì)SLM制備FeCoCrNiMn-(N,Si)高熵合金中微觀結(jié)構(gòu)，包括多層級(jí)結(jié)構(gòu)、熱裂紋缺陷、晶粒尺寸和形貌以及力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化選區(qū)激光熔融制備工藝提供理論指導(dǎo)

1實(shí)驗(yàn)選取一定比例的氮化鉻鐵塊體、純金屬Fe、Co、Cr、Ni、Mn塊體在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣氛下氣霧化制備FeCoCrNiMn-(N, Si)預(yù)合金粉末

氮化鉻鐵塊體用作氮元素的來源

少量Si元素是由于氮化鉻鐵中存在的Si雜質(zhì)

純金屬Fe、Co、Cr、Ni、Mn塊體的純度大于99.8%

收集氣霧化制備的粉末并進(jìn)行篩分，得到的粉末作為選區(qū)激光熔融制備FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金塊體的原始粉末

利用激光粒度分析儀(MICRO-PLUS，MALVERN)分析粉末的尺寸，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析合金粉末的成分，采用LECO熱燃燒分析儀分析合金粉末的氮含量

SLM的具體制備工藝如下：采用FS271M激光熔融制造設(shè)備(中國制造)，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，改變掃描偏轉(zhuǎn)角度(45°、67 °、90°)，保持恒定的掃描速度(800 mm/s)、層厚(40 μm)和激光間距(80 μm)來制備三組樣品，分別標(biāo)記為R45、R67和R90

SLM制備工藝的詳細(xì)參數(shù)如表1所示

激光掃描旋轉(zhuǎn)角度是指SLM制備期間相鄰層之間的激光偏轉(zhuǎn)角度

制備兩種形狀的樣品：尺寸為11 mm×11 mm×8 mm的立方體樣品用于微觀結(jié)構(gòu)分析；啞鈴狀樣品用于室溫拉伸試驗(yàn)分析，其標(biāo)距的尺寸為24 mm×4 mm×6 mm

表1SLM制備工藝的詳細(xì)參數(shù)Table 1Detail processing paraments of SLM samplesAlloyLaser power/WScanningspeed/(mm?s-1)Scanningspace/mmLayerthickness/mmScanning rotation/(°)Energy density/(J?mm-3)Density/(g?cm-3)R453008000.080.0345156.257.879R673008000.080.0367156.257.910R903008000.080.0390156.257.883采用X射線衍射(Dmax 2500VB設(shè)備，X-Ray Diffraction, XRD)分析合金的物相組成，銅靶的Kα輻射作為X射線源

使用配備電子背散射衍射系統(tǒng)(Electron backscatter diffraction, EBSD)的掃描電子顯微鏡(SEM, FEI Helios NanoLab G3 UC)和配備X射線能量色散光譜(Energy dispersive spectroscopy，EDS)的球差透射電子顯微鏡(TEM，F(xiàn)EI Titan G2 60-300)表征分析樣品的微觀結(jié)構(gòu)

采用電化學(xué)拋光制備EBSD表征的樣品，拋光液為10%(體積分?jǐn)?shù))的高氯酸和90%乙醇的混合溶液，拋光參數(shù)為直流電壓30 V、溫度-30 ℃

利用TSL-OIM?分析軟件對(duì)所獲得的EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

TEM表征樣品的制備路徑為：首先采用TenuPol-5電解雙噴儀進(jìn)行電解雙噴，電解質(zhì)為高氯酸(10%)和乙醇(90%)，溫度為-30 ℃，電壓為25 V；然后采用Gatan公司的離子減薄儀器減薄60 min，離子束角度為3°，操作電壓為4 kV

在Zeiss-Merlin 掃描電鏡上進(jìn)行電子通道對(duì)比成像(Electron channeling contrast imaging, ECCI)，成像采用30 kV的高加速電壓和7.5 mm的工作距離，使用背散射電子探頭獲得電子通道對(duì)比度

樣品用碳化硅紙研磨并使用1 μm金剛石懸浮液拋光，然后使用膠體二氧化硅進(jìn)行最終拋光

室溫拉伸試驗(yàn)在INSTRON 3369試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變速率為10-3 s-1

每種樣品均進(jìn)行至少三次測試

2結(jié)果與分析2.1粉末形貌與元素分布圖1所示為氣霧化制備的FeCoCrNiMn-(N, Si)粉末的微觀形貌圖

由圖1(a)可以看出，粉末球形度高，基本都呈球形，僅幾顆大粉末的局部區(qū)域存在細(xì)小的粉末

圖1(b)所示為粉末顆粒橫截面的SEM像，可以看出粉末內(nèi)部均呈枝晶結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步的SEM-EDS元素面分析觀察發(fā)現(xiàn)，粉末內(nèi)部存在Mn的偏聚(見圖1(g)中白色箭頭所指)，其他元素Fe、Co、Cr、Ni分布相對(duì)均勻

由于Mn的熔點(diǎn)低，為1246 ℃，因而Mn容易偏聚在最后凝固的枝晶間處[26]

圖1氣霧化制備的FeCoCrNiMn-(N, Si)粉末的整體SEM像，粉末顆粒橫截面的SEM像以及EDS元素面掃描分布



Fig. 1SEM image(a), SEM image of cross section of powders(b) and SEM-EDS elemental mapping distribution((c)-(g)) of FeCoCrNiMn-(N, Si) powders prepared by gas atomization2.2塊體樣品的XRD衍射分析圖2所示為選區(qū)激光熔融制備三組樣品R45、R67和R90的XRD譜

由圖2可以看出，三組樣品均展現(xiàn)出單一的面心立方(Face-centered cubic，F(xiàn)CC)衍射峰，無其他物相的衍射峰

而且三組樣品中(200)衍射峰呈現(xiàn)出高的相對(duì)衍射強(qiáng)度

利用ICP-MS對(duì)SLM制備塊體的FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金進(jìn)行元素分析，表明其成分組成(摩爾分?jǐn)?shù)，%)為：21.69 Fe-20.26 Co-19.43 Cr-20.45 Ni-16.83 Mn-0.92 N-0.42 Si

圖2選區(qū)激光熔融制備樣品的XRD譜



Fig. 2XRD patterns of samples prepared by SLM process2.3塊體樣品的SEM顯微組織圖3所示為選區(qū)激光熔融制備樣品縱面區(qū)域(X-Z面)的SEM像

由圖3可知，在三組樣品中都可以清楚地觀察到熔池的輪廓(見圖3中白色虛線所指)

相較于R67樣品，R45和R90樣品中的熔池輪廓顯得更扁平(曲率低)

在三組樣品中都觀察到少量的熱裂紋(見圖3中黃色箭頭所指)，R45中具有高密度的熱裂紋紋缺陷

利用阿基米德排水法，測得R45、R67和R90樣品的密度分別為7.879 g/cm3、7.910 g/cm3和7.883 g/cm3

可見R67樣品的密度最高，也表明其具有最低的熱裂紋密度(見圖3(b))

高倍的SEM分析顯示，R45樣品中裂紋的跨熔池萌生和擴(kuò)展(見圖3(a1))

R90樣品中裂紋兩側(cè)區(qū)域的柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)的取向不同，夾角約為50°，如圖3(c1)所示

R67樣品中觀察到高密度的胞狀結(jié)構(gòu)和少量的柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)，如圖3(b1)和(b2)所示

R45和R90樣品中觀察到高密度的柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)以及這些柱狀樹枝晶束的跨熔池生長，表明柱狀樹枝晶存在明顯的外延生長，如圖3(a2)和3(b2)中白色箭頭所示

胞狀結(jié)構(gòu)也是柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)，在視場中觀察到的特定形狀取決于亞結(jié)構(gòu)和觀察平面的方向[23, 27]

在SLM制備過程中，粉末發(fā)生重新熔化和凝固過程

凝固組織的生長方向由晶體取向和局部熱流方向共同決定[8, 28]

目前的FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金為FCC結(jié)構(gòu)，易生長方向?yàn)椤?00〉晶向，也是散熱最快的方向[8]

XRD譜中也表明(200)晶面的衍射具有高的相對(duì)強(qiáng)度，如圖2所示

當(dāng)前的制備工藝改變了激光掃描偏轉(zhuǎn)角度，因而導(dǎo)致溫度梯度(凝固前沿的法線方向)局部方向發(fā)生變化

因此，枝晶的生長方向隨著復(fù)雜的溫度梯度而變化，以適應(yīng)它們的散熱[29]

胞狀結(jié)構(gòu)的形成表明沿激光掃描方向的溫度梯度大于沿構(gòu)建方向的溫度梯度[28]

晶體生長方向和溫度梯度方向分別用綠色和黃色箭頭表示，如圖3(a2)所示

此外，在R45樣品中觀察到鋸齒形生長模式(枝晶生長方向90°變化)，如圖3(a2)中綠色箭頭所示

從[001]到晶向變化的90°枝晶生長模式使得這兩種不同取向的枝晶在生長過程中沒有晶格失配，因而有利于〈001〉變體之間的外延生長，即柱狀樹枝晶的跨熔池生長[30]

外延生長模式不需要形成新核，因此消除了形核所需的活化能壘[8]

當(dāng)凝固所形成的柱狀樹枝晶的生長方向與下一層溫度梯度方向接近時(shí)，只要溫度降到熔融溫度以下，柱狀樹枝晶保持先前凝固的方向生長，即外延生長

從整體上來看，相較于67°掃描偏轉(zhuǎn)角度，45°和90°掃描偏轉(zhuǎn)角度制備的樣品具有更扁平的熔池輪廓，導(dǎo)致溫度梯度方向和柱狀樹枝晶生長方向的夾角小，從而促進(jìn)外延生長，因而R45和R90樣品中呈現(xiàn)明顯的柱狀樹枝晶的外延生長，如圖3(a2)和(c2)所示

圖3選區(qū)激光熔融制備樣品的縱面區(qū)域的SEM像



Fig. 3SEM images of longitudinal regions (X-Z plane) of samples prepared by SLM process: (a), (a1), (a2) Sample R45; (b), (b1), (b2) Sample R67; (c), (c1), (c2) Sample R90圖4所示為選區(qū)激光熔融制備樣品橫截面(X-Y面)的EBSD表征分析結(jié)果

圖4(a)、(b)和(c)所示分別為R45、R67和R90樣品的晶粒反極圖，三組樣品都呈現(xiàn)小晶粒偏聚在大的柱狀晶周圍

在R45樣品中觀察到少量的微裂紋(見圖4(a)中的黑色條狀所示，具體見藍(lán)色箭頭所指)，而且所有的裂紋都出現(xiàn)在晶界處

另外，在SEM像中觀察到裂紋兩側(cè)區(qū)域的柱狀樹枝晶生長的取向差大于15°(見圖3)，因此，當(dāng)前選區(qū)激光熔融工藝制備樣品中的裂紋為晶間裂紋

圖4(a1)、(b1)和(c1)所示分別為R45、R67和R90樣品的晶粒粒徑分布圖

可以看出三組樣品的晶粒粒徑都呈多峰分布

R45和R90樣品中都存在粒徑大于120 μm的晶粒

R45、R67和R90樣品的平均晶粒粒徑大小分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算為60 μm、55 μm和58 μm

圖4(a1)、(b1)和(c1)所示分別為R45、R67和R90的(001)極圖，最大極密度分別為5.592、4.690和4.990

圖4選區(qū)激光熔融制備樣品的橫截面(X-Y面)的EBSD晶粒反極圖、晶粒粒徑分布圖和(001)極圖



Fig. 4EBSD grain inverse pole figures, grain size distribution maps and (001) pole figures of cross-section (X-Y plane) in samples prepared by SLM process: (a), (a1), (a2) Sample R45; (b), (b1), (b2) Sample R67; (c), (c1), (c2) Sample R90圖5所示為選區(qū)激光熔融制備樣品沿構(gòu)建方向(X-Z面)的EBSD表征分析結(jié)果圖

圖5(a)、(b)和(c)所示分別為R45、R67和R90樣品的晶粒反極圖

由圖可知，三組樣品的晶粒形態(tài)主要呈柱狀晶，R67樣品中具有更多的等軸晶形貌

圖5(a1)、(b1)和(c1)所示分別為R45、R67和R90樣品的晶界錯(cuò)配度分布圖

由圖可知，在三組樣品中都觀察到了大量的小角度晶界(表示為紅色線)，體積分?jǐn)?shù)分別為70.2%、71.1%和70.3%，表明選區(qū)激光熔融制備的樣品中形成了一些亞結(jié)構(gòu)

R45、R67和R90樣品的晶粒粒徑分布如圖5(a2)、(b2)和(c2)所示

由圖可知，三組樣品的平均晶粒粒徑分別為128 μm、69 μm和104 μm

需要說明的是，由于晶粒形貌是三維的，以及選區(qū)激光熔融過程中粉末逐層熔融和凝固，因而樣品中橫截面和縱截面(沿構(gòu)建方向)的晶粒粒徑不同

該平均晶粒粒徑統(tǒng)計(jì)的是樣品的縱面區(qū)域，粒徑明顯高于橫截面的平均晶粒粒徑(60 μm、55 μm和58 μm)，表明晶粒沿構(gòu)建方向(縱面)跨熔池生長

沿構(gòu)建方向的SEM像清晰地表明，R45和R90樣品中具有明顯的柱狀樹枝晶的外延生長(見圖3)，因此，R45和R90樣品在沿構(gòu)建方向上柱狀晶跨熔池生長，并形成晶粒粒徑較大的柱狀晶

柱狀樹枝晶的外延生長能夠降低晶粒生長所需的能量，因而不利于能量的耗散，提高裂紋的敏感性[8]

此外，SUN等[31]研究發(fā)現(xiàn)，大晶粒粒徑導(dǎo)致的高殘余應(yīng)力是選區(qū)激光熔融制備的FeCoCrNi HEA中熱裂紋形成的關(guān)鍵因素，而且當(dāng)平均晶粒粒徑低于100 μm時(shí)，可以降低殘余應(yīng)力

EBSD數(shù)據(jù)分析測得R45、R67和R90樣品中晶粒粒徑大于100 μm的體積分?jǐn)?shù)分別為58.5%、24.9%和42.4%

R67樣品中晶粒粒徑大于100 μm的體積分?jǐn)?shù)最低，因此，R67樣品具有最低的熱裂紋密度

總體來說，結(jié)合SEM和EBSD的分析表明：激光掃描的偏轉(zhuǎn)角度改變了熔池形態(tài)，調(diào)控了熱流方向，因而明顯改變了所制備樣品的晶粒形態(tài)和粒徑分布，進(jìn)而影響了熱裂紋的形成

熱裂紋的萌生和擴(kuò)展還與元素的偏聚、晶體取向和熱應(yīng)力等因素有關(guān)[8, 32-33]，后續(xù)需要更進(jìn)一步的研究來闡明其內(nèi)在機(jī)制

圖5選區(qū)激光熔融制備樣品的沿構(gòu)建方向(X-Z面)的EBSD晶粒反極圖、晶界錯(cuò)配度分布圖和晶粒粒徑分布圖



Fig. 5EBSD grain inverse pole figures, grain boundary misorientation distributions and grain size distributions along build direction (X-Z plane) of samples prepared by SLM process: (a), (a1), (a2) Sample R45; (b), (b1), (b2) Sample R67; (c), (c1), (c2) Sample R90圖6所示為選區(qū)激光熔融制備樣品橫截面(X-Y面)的ECCI圖

由圖6可知，三組樣品都觀察到明顯的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)

相較于R45樣品，R67和R90樣品具有高位錯(cuò)密度，胞壁和胞內(nèi)部都有大量的位錯(cuò)纏結(jié)

利用TEM技術(shù)精細(xì)地表征分析了R67樣品的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖7和8所示

圖6選區(qū)激光熔融制備樣品橫截面(X-Y面)的ECCI圖



Fig. 6ECCI images of cross section (X-Y plane) of samples prepared by SLM process: (a) Sample R45; (b) Sample R67; (c) Sample R90圖7R67樣品的TEM表征分析結(jié)果



Fig. 7TEM characterization results of sample R67: (a), (b) Bright-field images; (c) High-resolution atomic image showing stacking faults; (d), (d1), (d2) High-resolution atomic images at dislocation cell wall圖8R67樣品中存在的少量析出相開貌，析出相的高分辨原子相形貌及相應(yīng)的FFT圖，析出相的高角度環(huán)形暗場像及黃色線矢量方向上的TEM-EDS分析結(jié)果



Fig. 8Morphology of small number of precipitates in sample R67(a), high-resolution atomic image of precipitates and their relative FFT images((b, b1, b2, b3)), high-angle annular dark field image of precipitates(c) and TEM-EDS analysis results in vector direction of yellow line(d)2.4塊體樣品的TEM顯微組織圖7(a)所示為R67樣品的TEM明場像，進(jìn)一步清晰地表明胞狀結(jié)構(gòu)的形成，而且其胞壁由高密度的位錯(cuò)組成，這與選區(qū)激光熔融制備的FeCoCrNiMn高熵合金和316L不銹鋼一樣

不同的是，可以在R67中胞壁的內(nèi)部觀察到大量的位錯(cuò)纏結(jié)(見圖7(b))

高分辨原子分析表明，R67樣品中存在少量的層錯(cuò)(見圖7(c))

另外，對(duì)胞狀結(jié)構(gòu)的胞壁處進(jìn)行高分辨原子分析(見圖7(d))，綠色虛線為胞狀結(jié)構(gòu)的胞壁

圖7(d1)和7(d2)所示分別為7(d)中胞壁兩邊的紅色虛線方框和黃色虛線方框的局部放大圖，胞壁兩處存在微小的取向差(小于5°)，為小角度亞晶界

在局部區(qū)域也觀察到少量的納米析出相(見圖8(a))

圖8(b)所示為析出相的高分辨原子像圖

圖8(b1)、8(b2)和8(b3)分別所示為圖8(b)中相對(duì)應(yīng)區(qū)域的傅里葉變換圖(Fast Fourier transformation, FFT)

可以看出，F(xiàn)CC基體和析出相邊緣處的原子排列規(guī)則且清晰

然而析出相的中間區(qū)域原子排列混亂，無明顯的晶格條紋

該區(qū)域相對(duì)應(yīng)的FFT圖顯示弱的擴(kuò)散暈(見圖8(b3))，表明存在非晶相

圖8(c)所示為析出相的高角度環(huán)形暗場圖像

可以看出，析出相與基底存在明顯的襯度差，而且析出相的中間區(qū)域相較于邊緣區(qū)域襯度更黑，形成類似于Core-shell結(jié)構(gòu)

沿圖8(c)中黃色矢量線方向采用TEM-EDS分析析出相的元素線分布，結(jié)果如圖8(d)所示

由圖8(d)可以看出，相較于基底相，N和Mn元素偏聚于析出相中，而且析出相的中間區(qū)域相較于邊緣區(qū)域具有更低的Mn含量以及更高的N含量

N-Mn原子對(duì)的混合焓為-119 kJ/mol，表明N和Mn元素容易結(jié)合形成析出相[34]

由于樣品中析出相的含量少，因而在XRD檢測中沒有觀察到析出相的衍射峰

2.5力學(xué)性能圖9(a)所示為選區(qū)激光熔融制備的三組樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖9(a)可以看出，R45、R67和R90樣品的屈服強(qiáng)度分別為(569±19) MPa、(614±10.6) MPa和(590±20) MPa，抗拉強(qiáng)度分別為(666±7) MPa、(758±11) MPa和(694±24) MPa，拉伸伸長率分別為(6.8±1.6) %、(15.7±1.2) %和(10.3±1.6) %

圖9(b)所示為三組樣品的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由真應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算出加工硬化率，即曲線的斜率

由相應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制的加工硬化率和真應(yīng)變的關(guān)系曲線圖，如圖9(c)所示

在R45、R67和R90樣品中都可以看到相似的加工硬化率隨應(yīng)變?cè)黾拥难莼厔荩涸谧冃蔚某跏茧A段，加工硬化率快速下降，隨后緩慢下降

值得注意的是：相較于R45和R90樣品，R67樣品具有較高的加工硬化率，表現(xiàn)為后續(xù)加工硬化率下降更緩慢

表2總結(jié)了文獻(xiàn)中激光輔助增材制造、選區(qū)激光熔融技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造加工方法制備的FeCoCrNiMn、FeCoCrNiMn-(N)高熵合金的室溫拉伸性能

相比較而言，在目前的研究中，通過SLM制備的FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金具有更高的屈服強(qiáng)度(614 MPa)和抗拉強(qiáng)度為(758 MPa)

這歸因于選區(qū)激光熔融工藝制備出的多層級(jí)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括高密度位錯(cuò)胞、位錯(cuò)纏結(jié)、細(xì)小析出相和多峰晶粒結(jié)構(gòu)所激發(fā)的多種強(qiáng)化機(jī)制，即位錯(cuò)強(qiáng)化、析出相強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化[14-15, 35]

而傳統(tǒng)鑄造及隨后的熱機(jī)械處理工藝不能夠獲得這種獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)

圖9選區(qū)激光熔融制備樣品的力學(xué)性能



Fig. 9Mechanical properties of samples prepared by selective laser cladding: (a) Engineering stress-strain curve; (b) True stress-true strain curve; (c) Strain hardening rate-true strain curve表2激光輔助增材制造、SLM和傳統(tǒng)鑄造方法制備的FeCoCrNiMn高熵合金的拉伸性能Table 2Tensile properties of FeCoCrNiMn HEA prepared by laser aided additive manufacturing (LAAM), SLM and conventional casting methodsProcessingCompositionσy/MPaσUTS/MPaεf/%Ref.SLMFeCoCrNiMn-(N, Si)62077116.4Present workSLMFeCoCrNiMn51960134[29]SLMFeCoCrNiMn51060934[14]FeCoCrNiMn46554119Laser additive manufacturingFeCoCrNiMn34656627[38]FeCoCrNiMn29852925FeCoCrNiMn30754732Laser aided additive manufacturedFeCoCrNiMn51866020[39]Casting+annealingFeCoCrNiMn-N44780627[40]CastingFeCoCrNiMn20949662[22]利用ECCI技術(shù)對(duì)R67樣品在拉伸過程中變形微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行表征分析，結(jié)果如圖10所示

圖10(a)所示為R67樣品拉伸工程應(yīng)變?yōu)?%的ECCI圖，觀察到了少量的微觀條帶

圖10(b)所示為R67樣品斷口附近處的ECCI圖，觀察到了大量的微觀條帶

圖10(b)中白色虛線方框處的高倍ECCI圖更清晰地表明了微觀條帶的形成，同時(shí)也觀察到了大量的位錯(cuò)(見圖10(c))

另外，在局部區(qū)域觀察到了少量納米孿晶的形成(見圖10(d))

在拉伸變形過程中，高密度微觀條帶的形成細(xì)化了基體微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升了加工硬化率[36-37]

圖10不同應(yīng)變時(shí)R67樣品的微觀結(jié)構(gòu)



Fig. 10Microstructures of R67 samples at different strains: (a) 5%; (b), (c), (d) Near fracture在選區(qū)激光熔融制備工藝中，激光掃描偏轉(zhuǎn)角度等工藝參數(shù)能夠很明顯地改變合金的微觀結(jié)構(gòu)，包括柱狀樹枝晶的生長方向、晶粒的粒徑和形貌、熱裂紋萌生和位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)控力學(xué)性能

在目前采用選區(qū)激光熔融制備的FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金中，67°的激光掃描偏轉(zhuǎn)角度制備的樣品具有更精細(xì)的組織結(jié)構(gòu)，包括小的晶粒粒徑、高密度的胞狀亞結(jié)構(gòu)、高密度的位錯(cuò)、低密度的熱裂紋缺陷，因而呈現(xiàn)更優(yōu)異的力學(xué)性能

同時(shí)也表明高的加工硬化能力能夠協(xié)調(diào)強(qiáng)度和塑性的平衡

目前的研究可以為后續(xù)選區(qū)激光熔融調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)和工藝參數(shù)優(yōu)化的借鑒

3結(jié)論1) 激光掃描的偏轉(zhuǎn)角度調(diào)控了熱流方向，改變了熔池形態(tài)，因而影響選區(qū)激光熔融制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)

選用45°激光掃描偏轉(zhuǎn)角度制備的樣品中呈現(xiàn)90°枝晶生長模式和扁平的熔池輪廓，導(dǎo)致明顯的柱狀樹枝狀外延生長

因而R45樣品沿構(gòu)建方向上(X-Z面)的晶粒呈明顯的柱狀形貌，具有最大的晶粒粒徑為128 μm

2) 較小的晶粒粒徑降低了裂紋敏感性，使得選用67°激光掃描偏轉(zhuǎn)角度制備的樣品具有低密度的熱裂紋缺陷，而且選區(qū)激光熔融制備工藝中形成了多層級(jí)結(jié)構(gòu)，包括高密度位錯(cuò)胞、位錯(cuò)纏結(jié)、細(xì)小析出相和多峰晶粒結(jié)構(gòu)，有效地提高了合金的力學(xué)性能，因而R67樣品具有最優(yōu)的力學(xué)性能和高的加工硬化率，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為614 MPa、758 MPa和15.7%

3) 變形引起的高密度微觀條帶和少量的孿晶是FeCoCrNiMn-(N, Si)高熵合金的變形機(jī)制

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