通過熔池激光沖擊調制增材制造強化CoCrFeNi高熵合金
時間：2023-08-02 16:57 來源：西安交通大學機械制造系統 作者：王林、張航 閱讀：次
增材制造技術由于具有靈活可控、生產原料成分易調、零件尺寸自由等優點，從而成為金屬材料制造最廣泛的技術之一，尤其對于材料組分變化范圍較大的高熵合金開發優勢更為明顯。在制造過程中通過優化生產過程中的各種工藝參數以及退火熱處理、熱等靜壓等后處理，可以提高制造產品的機械性能。
而高熵合金的機械性能是由內部微觀結構決定的。因此調控材料微觀結構的研究尤為重要。CoCrFeNi高熵合金的顯微組織通常是激光熔融期間熔池內外延生長的柱狀晶粒和熔池邊緣的等軸晶粒，這與熔池內冷卻速率不同和其面心立方（FCC）基體結構等因素有關。
武漢大學技術科學研究所的Heng Lu等人對CoCrFeNi高熵合金開發進行研究，提出了一種新型熔池同步激光沖擊調制（LSMMP）方法，該工藝對熔池進行激光沖擊以直接干擾再結晶過程，從而增強增材制造過程中的熔池對流并抑制柱狀晶體生長，最終通過細化晶粒來提高打印樣品的機械性能。
在制造過程中對使用不同的激光沖擊能量（1 J，2 J，3 J）進行研究目的，并使用高速相機對熔池演變過程進行連續拍攝，結果如圖2(a)-(c)所示。通過對熔池的激光沖擊過程進行分析，可以將其劃分為圖2(d)中的四個階段，I：以反沖壓力（P）和馬蘭戈尼對流（M）為主的對流機制;II：沖擊力（S）主導熔池振蕩;III：回彈力（R）主導熔池向上拱起;IV.階段：重力（G）主導熔池向下移動并恢復其原始形狀。
分別觀察無激光沖擊和使用0J、1J、2J脈沖激光沖擊的CoCrFeNi打印樣件截面熔池，在圖3所示的電子背散射衍射圖（EBSD）中可以看到，在激光增材制造過程中，激光沖擊不僅改變了熔池的大小形狀，還對材料的微觀組織晶粒大小有所影響，最終改變成型樣件的機械性能。
Lu H,He Y,Zhao Z.Strengthening CoCrFeNi high entropy alloys via additive manufacturing with laser shock modulation of melt pool.Materials Science And Engineering.2022;11(6):860.
而高熵合金的機械性能是由內部微觀結構決定的。因此調控材料微觀結構的研究尤為重要。CoCrFeNi高熵合金的顯微組織通常是激光熔融期間熔池內外延生長的柱狀晶粒和熔池邊緣的等軸晶粒，這與熔池內冷卻速率不同和其面心立方（FCC）基體結構等因素有關。
武漢大學技術科學研究所的Heng Lu等人對CoCrFeNi高熵合金開發進行研究，提出了一種新型熔池同步激光沖擊調制（LSMMP）方法，該工藝對熔池進行激光沖擊以直接干擾再結晶過程，從而增強增材制造過程中的熔池對流并抑制柱狀晶體生長，最終通過細化晶粒來提高打印樣品的機械性能。
圖1 熔池激光沖擊調制系統模型
同步激光沖擊調制系統結構如圖1所示，實驗設備由一臺1kw連續光纖激光器、一臺焦耳級脈沖激光器、304不銹鋼基板以及一臺高速相機組成。實驗在高純氬氣氣氛中進行，用于制造過程的連續激光束垂直于基板，而脈沖激光束與垂直方向偏離−10°。在制造過程中對使用不同的激光沖擊能量（1 J，2 J，3 J）進行研究目的，并使用高速相機對熔池演變過程進行連續拍攝，結果如圖2(a)-(c)所示。通過對熔池的激光沖擊過程進行分析，可以將其劃分為圖2(d)中的四個階段，I：以反沖壓力（P）和馬蘭戈尼對流（M）為主的對流機制;II：沖擊力（S）主導熔池振蕩;III：回彈力（R）主導熔池向上拱起;IV.階段：重力（G）主導熔池向下移動并恢復其原始形狀。
圖2 (a)-(c)激光沖擊能量分別為1J、2J、3J時激光沖擊調制的實時圖像；(d).激光沖擊過程熔池演變的不同階段。
在第I階段，連續激光將CoCrFeNi粉末完全熔化，粉末獲得的熱量迅速釋放到基板上，使得底部的高溫產生向上的反沖壓力（P），將流體推離基體，而熔池表面的溫度梯度導致馬蘭戈尼對流（M），該對流驅動熔池表面的流體從高溫區域移動到低溫區域。在第II階段，沖擊力（S）破壞了熔池的原始狀態，熔池形貌與激光沖擊的能量相關。第III階段熔池中的流體向邊緣移動，并在遇到固體時向中心反彈，使得熔池中心再次拱起，最終在第IV階段，在重力（G）的作用下熔池恢復平靜。分別觀察無激光沖擊和使用0J、1J、2J脈沖激光沖擊的CoCrFeNi打印樣件截面熔池，在圖3所示的電子背散射衍射圖（EBSD）中可以看到，在激光增材制造過程中，激光沖擊不僅改變了熔池的大小形狀，還對材料的微觀組織晶粒大小有所影響，最終改變成型樣件的機械性能。
圖3 不同脈沖激光能量的電子背散射衍射圖（EBSD）:（a）0 J;（b）1 J;（c）2 J;（d）3J;
最終對比無激光沖擊和不同激光沖擊能量的打印樣件性能，得到的真實應力-應變曲線如圖4所示，經過激光沖擊強化后的材料屈服強度均有所提升，在脈沖激光能量為1J時有最大的強度值和延伸率。
圖4. 用不同脈沖激光能量制備的樣品應力-應變曲線
參考文獻：Lu H,He Y,Zhao Z.Strengthening CoCrFeNi high entropy alloys via additive manufacturing with laser shock modulation of melt pool.Materials Science And Engineering.2022;11(6):860.
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