IJP：增材制造的TiNbTaZrMo難熔高熵合金的變形機制胞狀結構的作用
時間：2024-06-14 09:32 來源：多尺度力學 作者：admin 閱讀：次
圖1.
L-PBF制備的TNTZM的典型微觀結構。a，不同長度尺度的胞狀層次結構示意圖。b，已構建的TNTZM樣品的EBSD
IPF圖顯示晶粒方向。c，大范圍內胞狀結構的SEM圖像。d，顯示晶界和胞壁的(BF)
TEM圖像。e，胞狀結構的TEM圖像和包含胞壁和內部區域的選定區域電子衍射(SAED)圖案。f，HADDF
STEM圖像顯示元素偏析，并附有相應的成分圖以確認偏析。g，基體中位錯的DF TEM圖像。h,
h的放大圖像。i，胞壁。j、i的像差校正后的STEM圖像。
胞狀結構在TNTZM中非常常見，并且占非常高的體積分數。掃描電鏡圖像顯示了胞狀結構的形態和分布范圍。大多數胞狀結構是等軸的，少數呈板條形狀，尺寸都小于1µm。胞壁的特定厚度從40到70nm不等，而晶界是將一個晶粒與另一個晶粒分開的外部輪廓。SAED圖顯示為標準的單一BCC結構，沒有明顯的衍射斑點，表明胞壁和內部具有相同的BCC結構，排除了胞壁為第二相的可能性。雖然類似的胞狀結構在鋁基、鈷基合金和鐵基合金中經常被報道，這些合金中的胞狀結構由第二相形成；這種現象不同于元素偏析產生的TNTZM，盡管它們的形態相似。這種由第二相形成的胞狀結構在變形過程中容易在胞狀區引發裂紋，損害塑性。
增材制造過程中的快速冷卻導致TNTZM中的殘余應力和基體中的位錯數量增加。考慮到多主元合金的特性，基體的晶格畸變較大，相對容易產生較強的釘住效應。這些原始位錯顯然不受胞壁的影響，在胞內隨機而均勻地分布。因此，在TNTZM中觀察到的胞狀結構表現為元素偏析。
在AM制造的合金中觀察到胞狀結構，但胞狀結構的起源仍然是一個有爭議的話題。這被認為與增材制造的快速凝固過程有著復雜的聯系。前人對胞狀結構的研究主要集中在不銹鋼和具有FCC晶體結構的HEAs上。這些合金的凝固模型可能不適合解釋胞狀結構的形成機制，因為在制造過程中發生了相變的附加因素。此外，孿晶作為一種亞晶結構，在不銹鋼和HEAs中經常出現，這對解釋胞狀結構的形成機制提出了進一步的挑戰。
圖2.胞狀結構的形成機制及形態演化示意圖。a、晶粒形核。b、晶粒生長。c、凝固的晶粒。d、單個晶粒的胞狀結構生長。e，晶界處的胞狀結構生長。f，制造后的胞狀結構分布。
圖2系統地展示了TNTZM中等軸狀和板條狀胞狀結構分布的形成過程。在激光掃描過程中，機械合金粉末熔化后形成熔池。事實上，瞬時高能量輸入導致了溫度梯度(G)，促進了Marangoni效應的發生。這種現象導致熔池內復雜的流體對流，這被認為會導致顆粒分布的重新配置。當溫度達到液相時，由于過冷和能量波動，第一批TNTZM在熔池底部成核，溫度梯度為正(圖2a)。TNTZM的固相界面經歷過冷、向熔池遷移、晶粒不斷長大的過程(圖2b)。晶粒與其他晶粒接觸后停止生長，完成凝固(圖2c)。在單個晶粒內，晶粒內部的分解與發生在晶界附近的分解不同。在晶粒內部，TNTZM的分解受熱效應和元素間相互作用的雙重影響。這可能導致Ti和Ta-Nb元素的分離形成胞狀結構。實際上，這種分解過程在局部空間中是無方向性的。因此，形成了具有等軸形狀的胞狀結構(圖2d)。然而，與晶粒內部相比，固溶元素對晶界的吸引力更強。此外，被排除在外的Ti原子被吸引并傾向于在晶界處聚集。在晶界的影響下，形成等軸胞狀結構，經過伸長并轉變成板條狀的胞狀結構。因此，在AM制備的RHEA的情況下，胞狀晶粒內部的形貌為等軸形狀，而晶界兩側的胞狀結構形態為板條形狀。
圖3. 不同應變水平下TNTZM胞狀結構的變形結構。a,
b，胞狀結構和位錯分布。a，胞狀結構的HADDF圖像。b, a的DF圖像，c, d，在~
10%應變下具有代表性的變形組織。c、變形后的胞狀結構HADDF圖像。結構的形狀和大小幾乎沒有改變。d,
c的DF圖像，顯示兩種不同類型的位錯。在d1區，紅色箭頭所示的位錯堆積在胞壁附近。在d2區域，紅色箭頭表示的位錯被胞壁吸收。e-f， ~
45%應變時的變形組織。e、變形后的胞狀結構HADDF圖像。結構的形狀和大小明顯改變。f,
e的DF圖像，顯示許多位錯被吸收并儲存在胞壁中。g，隨應力增加胞壁對位錯影響的示意圖，表明胞壁首先阻礙隨后的吸收。
本研究利用L-PBF制備了分層胞狀結構TNTZM RHEA，產生了獨特的力學性能和變形機制。這項工作證明了增材制造技術可以提高RHEA的延展性，為分層結構的RHEAs奠定了新的技術基礎。主要結論如下：
1.TNTZM具有優異的延展性，超過了其他RHEA材料，同時也達到了904 MPa的屈服強度。這些優異的性能源于層次上不均勻的微觀組織的綜合作用，包括位錯、凝固胞狀組織和晶界。
2. 通過增材制造引入胞狀結構是實現屈服強度和延性顯著協同作用的有效方法。已經觀察到胞壁在初始階段阻礙了位錯的運動，有效提高了TNTZM的屈服強度。此外，隨著位錯密度的增加，胞壁的作用從阻礙位錯轉變為吸收和儲存位錯。這種儲存在胞壁中的位錯行為有效地防止了應變破裂，促進了更均勻的晶粒變形，可以有效地提高塑性。
3. TNTZM的主要變形機制是位錯滑移，滑移發生在單個或多個胞狀結構內，胞狀結構使單個晶粒內的位錯滑移更加均勻。
相關研究成果以“Deformation mechanisms of additively manufactured TiNbTaZrMo refractory high-entropy alloy: The role of cellular structure”為題發表在International Journal of Plasticity（Volume: 173 ,2024,103884）上，論文第一作者為Changxi Liu，通訊作者為Lai-Chang Zhang和Liqiang Wang。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103884
(責任編輯：admin)
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