难熔高熵合金性能调控与增材制造EI北大核心CSCD

难熔高熵合金(refractory high-entropy alloys, RHEAs)通过添加多种难熔元素形成等原子比或近等原子比的多主元合金,具有简单的相结构和优异的高温性能,在高温合金领域具有极为广阔的应用前景。本文以难熔高熵合金的性能特点与制备工艺为基础,从合金制备与成形面临的挑战出发,综述了难熔高熵合金的性能调控方法与研究进展,介绍了增材制造难熔高熵合金实现的突破与面临的困境,对难熔高熵合金的成分设计及优化、材料制备与加工、增材制造成形进行了展望,并对其未来重点研究方向提出了如下建议:通过调控相结构和相界面克服难熔高熵合金的强韧制约;结合传统强韧化理论与难熔高熵合金自身性能特点进行材料设计;借助增材制造技术的工艺特征促进难熔高熵合金的形性调控;探究难熔高熵合金在高温及多场耦合环境下的使役性能与失效机制。     

增材制造技术制备高熵合金的研究现状及展望

高熵合金是近年来发现的一种新型合金,因其独特的设计理念、组织结构以及优异的性能,短短数年内获得了大量科研工作者的关注。由于高熵合金高成本的特点,采用传统制备工艺制备高熵合金结构件造成了一定浪费,尤其是在高精密复杂零部件方面。而增材制造是根据零件的三维数据直接制造出实体零件的技术,能够在很大程度上解决高熵合金在复杂零部件方面制备浪费的问题。同时,增材制造技术具有精确制造、快速凝固的特点,比传统制备工艺更能够保证合金的组织均匀性,也更有利于合金的组织细化,可以进一步发挥高熵合金性能的潜力。然而,高熵合金和增材制造都属于发展时间较短的新型研究方向,针对增材制造高熵合金的研究也尚处于起步阶段。本文介绍了高熵合金最常使用的几种增材制造技术,重点阐述了用增材制造技术制备的高熵合金的组织演变规律、力学性能、耐腐蚀性这几方面的研究进展,并对高熵合金复合材料的研究现状进行了归纳,同时对增材制造高熵合金的进展及优缺点进行了总结,并对增材制造技术制备高熵合金的研究提供了一些思路。     

增材制造高熵合金研究进展

高熵合金(High-entropy alloys, HEA)由于具有优异的力学性能、抗高温氧化性能、耐腐蚀性能等优点,受到了越来越多学者的关注。目前高熵合金的制备一般采用传统的铸锻轧,这对于制备一些形状复杂的高端零部件和超细晶组织是一种严峻的挑战,而采用增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是解决上述问题的一个有效途径。重点阐述了国内外近年来在高熵合金增材制造材料种类、快速凝固非平衡组织演化、裂纹等成形缺陷、力学性能及成形特征方面的研究进展,为增材制造高熵合金进一步发展提供一定参考。最后,对增材制造高熵合金的研究进展进行了总结,并对增材制造高熵合金成分的设计提供了一定的思路。     

高熵合金增材制造研究进展

基于不同的高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)体系,综述了增材制造高熵合金的最新研究进展,阐述了不同成分高熵合金增材制造的快速凝固微观组织、偏析和析出行为,着重分析了增材制造高熵合金的力学性能、变形及强化机理.指出不同的高熵合金体系应选择适合的增材制造工艺,并且成型质量的影响因素还有待进一步研究,最后提出利用增材制造技术可以研发和制备出具有优异强度-塑性组合的高熵合金.     

基于增材制造的原位合金化制造方法的研究进展

基于增材制造的原位合金化方法是利用激光或电子束将多种元素粉或多种预合金粉的混合粉末熔化,使材料同时进行合金化和致密化的一种成本低廉、快速高效的开发新材料的方法,已经在高熵合金开发、新型生物医用合金打印件开发等领域得到初步应用。总结了混合粉末的形貌、粒径、高熔点粉末含量及粉末混合技术对原位合金化打印件性能的影响的研究结果。研究表明,混合粉末的颗粒级配需要同时保证元素混合均匀性和粉末流动性,才能保证原位合金化打印效果。激光功率、束斑直径、重熔工艺等打印参数对熔池几何特征影响很大,继而也强烈影响原位合金化的效果。熔池深度越大,越能保证打印过程中的层间重熔,促进元素均匀,但过深的熔池会造成孔隙。还介绍了基于原位合金化打印制备具有成分波动或成分梯度的合金材料的研究进展。原位合金化工艺本身固有的成分不均匀性有助于制备成分不均匀的合金,从而获得具有双相结构的打印件,这是基于预合金粉打印无法得到的。基于多材料及多相流模型,原位合金化粉床激光熔融过程的数值模型也被研究者建立,模拟得出的原位合金化的增材制造工艺优化参数与针对预合金粉打印的差别很大。最后对增材制造原位合金化技术的应用前景和面临的挑战作出了展...     

轻质高熵合金研究现状

高熵合金由于具有独特的合金设计理念和优异的性能而受到广泛关注。早期的高熵合金主要基于过渡族元素、难熔元素或者稀土元素,密度相对较高,从而极大限制了其应用。轻质高熵合金是基于Al、Li、Mg、Ti等轻质元素开发的一类新型高熵合金,在材料轻量化的趋势下,关于轻质高熵合金的研究逐渐增多。轻质高熵合金作为高熵合金的新分支,具有低密度、低模量、高比强度、高比硬度的独特优势。除此之外,轻质高熵合金还具有高熵合金的高强度、高硬度、优异的耐磨性、良好的耐氧化性、优异的耐腐蚀性、良好的抗高温氧化和抗高温软化性能以及良好的生物相容性等特点。这些性能上的优势使得轻质高熵合金在航空航天以及生物科技领域极具应用潜力。目前,轻质高熵合金的研究主要涉及成分开发、制备、组织结构表征、性能特点等。新成分的开发与设计主要利用经验参数与相图计算以及第一性原理计算相结合的方法。合金的制备以感应熔炼、电弧熔炼和机械合金化等方法为主;轻质高熵合金的相组成与组织结构通常包括非晶态组织、单相多晶组织、多相复杂组织等;其性能方面的研究主要涉及力学方面的强度、硬度、高温蠕变等,还包括抗氧化性、耐蚀性以及生物相容性等。本文从轻质高熵合金的成分设计、制备方法、组织特征、性能特点等方面进行了综述,并指出了轻质高熵合金所面临的问题与挑战。     

镁合金电弧增材制造研究现状及展望

电弧增材制造由于其高沉积速率、高材料利用率、低成本以及具有制造大尺寸构件的能力而得到研究人员的广泛关注,有望广泛应用于镁合金的快速成形。本文概述了电弧增材制造用镁合金丝材的种类及其对丝材的要求,总结了现今适合于镁合金电弧增材制造用丝材的制备方法,重点论述了镁合金电弧增材制造工艺的制备技术、基本原理、微观组织及力学性能,讨论了不同电弧增材制造工艺制备不同镁合金的影响因素,分析了镁合金电弧增材制造目前可用丝材种类少以及增材制造构件形性尚不可控等问题,并且在优化电弧增材制造镁合金构件性能和推进应用方面进行了展望。     

410马氏体不锈钢块体材料的冷金属过渡焊电弧增材制造与性能表征

电弧增材制造具有效率高、成本低和不受成形尺寸限制等独特优势,在新型制造、修复领域拥有良好的应用前景.获得力学性能良好、显微组织均匀的电弧增材制造件是目前急需解决的问题.通过冷金属过渡焊(CMT)丝材电弧增材制造系统,制备了两种410马氏体不锈钢块体材料.光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和力学性能测试结果表明,现有工艺可制备显微组织均匀、硬度平均值为530HV、抗拉强度平均值为1 196 MPa且延伸率均匀的沉积件.本工作还探讨分析了电弧增材制造件的力学性能特点及成因,并与锻造、激光增材制造等方法制得的H13热作模具钢的力学性能进行比较,分析了电弧增材制造件的性能与其他方法制备的工件性能存在差异的原因,考察了冷金属过渡电弧增材制造410不锈钢在修复件中使用的可行性,阐述了提升电弧增材制造件力学性能的方向.     

机械合金化和粉末冶金法制备Fe-Mn-Si基形状记忆合金的研究进展

铁基形状记忆合金由于价格低廉、强度高、加工性能好、可焊接等优点引起广泛重视。机械合金化(MA)和粉末冶金(PM)作为制备材料的新工艺,可以用来制备性能优越的形状记忆合金。本文详述了机械合金化和粉末冶金工艺在制备Fe-Mn-Si基形状记忆合金过程中对合金相变、组织与性能的影响,以及此类合金在新领域的应用。最后提出了现阶段在研究MA/PM工艺制备Fe-Mn-Si基SMA中有关工艺参数、相变机制以及回复应力和低温应力松弛所存在的问题。     

CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金微观组织性能研究

目的研究冷金属过渡技术(Cold metal transfer,简称CMT)增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织成形规律。方法采用CMT电弧增材的方式制备了Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的薄壁试样件,研究了试样件在不同位置、不同方向的微观组织。结果 CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织分为3个区域,前3层的不稳定区域主要是由基材树枝晶到柱状晶的转变区域;第3层到最后一层的稳定区域主要是外延生长的柱状晶区;在最后一层靠近空气侧约360μm厚度范围内,出现转向枝晶。交替往复电弧增材的Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金,在每层顶部均会形成转向枝晶,但随后新一层电弧增材的熔池会熔化顶部形成的转向枝晶,最终在微观组织形貌上表现出柱状晶外延生长的形式。结论通过控制合适工艺参数,可以获得致密无缺陷的CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金薄壁试样,在试样的稳定区域,微观组织是外延生长的柱状晶,柱状晶的晶界上Al,Ni,Mn元素产生富集现象,质量分数高于平均值。在柱状晶的晶内,Cu元素高于均值,而Al,Ni,Mn元素质量分数均低于均值,这与柱状晶的形核顺序有关。     

Cu-Cr合金制备技术的研究进展

综述了Cu-Cr合金制备技术的研究现状和最新进展.主要内容包括:Cu-Cr合金的特点;Cu-Cr合金制备工艺的优缺点及研究现状,如熔渗法、混粉烧结法、机械合金化法、真空电弧熔炼法、真空感应熔炼法、定向凝固法、电渣坩埚熔炼法、激光表面合金化法、自蔓延熔铸法和快速凝固法等;最新发展起来的电磁悬浮熔炼法和悬淬法等制备Cu-Cr合金的特点.在综述的基础上,简要讨论了Cu-Cr合金未来的发展动向.     

氧和氮对TiAl合金精密热成形显微组织和力学性能的影响

TiAl合金因其密度低、比强度高,在700~900 ℃具有良好的耐氧化性、抗蠕变和疲劳性能等优点,是最具应用前景的耐高温结构材料。氧、氮原子在TiAl合金真空熔炼、精密铸造、粉末冶金和增材制造等精密热成形中的变化,对组织转变和性能的影响不可忽视,氧、氮原子使合金室温塑性降低,是限制其工程化应用的关键因素之一。介绍了氧、氮原子对TiAl合金在精密热成形过程中显微组织和力学性能的影响,并进一步阐述了热成形工艺参数与TiAl合金氧和氮含量之间的关系。     

增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金研究进展

AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金具备细小、均匀、规则的片层结构,在较宽的温度(70～1000 K)和成分偏差范围内均具备良好的组织结构和强塑性兼备的力学性能,因而成为目前研究最为广泛的共晶高熵合金。本文针对增材制造AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金,综述了不同工艺和工艺参数对该合金的微观组织和力学性能的影响,重点阐述了选区激光熔化技术制备AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的相分布、微观组织和强化机制。最后,指出当前增材制造AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金相形成机理及组织演化过程中存在的分歧和不足,并提出以AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金为基体的材料改性、增材制造高熵合金新工艺研究开发等发展方向,为推动该合金的工业化应用提供思路。     

镍基高温合金增材制造研究进展EICSCD

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织,还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是,通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理,对晶粒组织、析出相等进行调控,从而影响合金的力学性能。此外,增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备,但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题,将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。     

Nb和Ta合金化对CoCrFeNi高熵合金组织和力学性能的协同作用

采用真空电弧熔炼法制备CoCrFeNi-(Nb,Ta)系列高熵合金,详细研究Nb和Ta合金化对CoCrFeNi基高熵合金组织演变和力学性能的协同效应。Nb/Ta合金化方式影响(CoCrFeNi)₈₈Nb_x Ta₍(12-x))合金的组织组成、共晶相片层间距、Laves相的尺寸形貌、两相体积分数及成分组成。Nb,Ta含量为等原子比时,合金组织组成为FCC+Laves两相共晶组织;Nb,Ta含量为非等原子比的合金则呈现为共晶(FCC+Laves)相和初生Laves相的组织结构,初生Laves相的体积分数和晶粒尺寸随Nb/Ta原子比的增加而单调增加。研究合金的压缩屈服强度与Laves相体积分数正向相关,压缩断裂强度几乎不受组织组成的影响,压缩塑性则与Laves相的体积分数、类型与尺寸分布呈现负相关。计算分析CoCrFeNi-(Nb,Ta)高熵合金的强化机制,探讨合金组织组成对其强度的作用规律。分析表明,细晶强化和Laves相的第二相强化是提升合金屈服强度的主要因素。     

几种AlCrNbTiVSi高熵合金的微观组织研究

利用真空非自耗电弧炉熔炼了AlCrNbTiV等物质的量高熵合金铸锭、AlCrNb2Ti2V0.5非等物质的量高熵合金和AlCrNb5TiVSi六元合金。分别对这3种合金进行了OM、XRD、SEM和EDS分析;研究了合金中的物相组成、微观组织和成分分布规律。实验结果表明,AlCrNbTiV高熵合金和AlCrNb2Ti2V0.5高熵合金都只形成了BCC结构高熵固溶相,且未产生金属间化合物相。而AlCrNb5TiVSi合金尽管配位熵很高,但由于Si的电负性,生成了离散分布的Nb5Si3金属间化合物。对AlCrNbTiV高熵合金和AlCrNb2Ti2V0.5高熵合金在单个晶粒中的成分分布进行分析,发现在高熵效应作用下,合金各元素含量波动较小,平均偏差均小于2%(原子分数),但两种合金元素含量存在微弱的变化趋势,如Nb在晶粒中心的含量比晶粒边缘略高,而另一些元素如Cr则恰好相反,表明在凝固和形核过程中仍然不可忽略元素熔点和原子半径效应。     

镍基高温合金增材制造研究进展

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特...     

Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的相形成规律及其力学性能

为了获得兼具高强度与高延展性的Al-Co-Cr-Fe-Ni系高熵合金，采用电弧熔炼的方法成功制备了Al_1.2Co_xCrFeNi(x=1,1.6,2.2,2.8)高熵合金并对其微观组织和力学性能进行了系统研究。结果表明：在Al_1.2Co_xCrFeNi合金体系中，Co元素具有诱导BCC相向FCC相转变的能力，随着Co含量的原子比例从1增加至2.8,FCC相的体积分数从0%增加到59%,BCC相的体积分数从100%降低至41%。压缩实验的结果表明，Co元素的加入对于提高Al_1.2Co_xCrFeNi高熵合金的塑性有重要作用，但对高熵合金的强度无明显影响。随着Co含量的增加，Al_1.2Co_xCrFeNi高熵合金的断裂应变从16.9%增加到30%,极限抗压强度由2128 MPa降低至1913 MPa,其中最大抗压强度为2361 MPa,平均硬度由513.7HV降低至323.4HV。Co含量的增加促使了合金的原子半径差的降低，...     

粉末冶金TiVNbTa难熔高熵合金的组织和力学性能

将机械合金化(MA)与放电等离子烧结(SPS)相结合制备了难熔TiVNbTa高熵合金,研究了这种合金的机械合金化过程、相组成和显微组织,以及烧结温度和O、N含量对其力学性能的影响。结果表明:机械合金化后高熵合金粉末为BCC结构,放电等离子烧结成的块体高熵合金由BCC基体和FCC析出相组成,其析出相为TiN+TiC+TiO的复合物。烧结温度为1100℃的高熵合金具有良好的综合力学性能,压缩屈服强度达到1506.3 MPa,塑性应变为33.2%。随着烧结温度的提高,合金发生了从准脆性到塑性再到脆性断裂的转变。O和N含量的提高对高熵合金强度的影响较小,但是使其塑性显著降低。     

合金元素对激光熔覆高熵合金涂层硬度影响的研究进展

激光熔覆技术采用高能量密度的激光作为工艺的能量来源,能够对工件表面进行改性和修复,显著地改善了基体的表面力学性能,从而有效地延长了产品的生命周期。激光熔覆是制备高熵合金的典型工艺之一,采用该技术并且添加合适的合金元素可以制备具备卓越性能的高熵合金涂层。为清晰地阐明加入元素后增强激光熔覆高熵合金涂层硬度的作用机制,首先综述了目前国内外在激光熔覆过程中加入常见元素所制备的高熵合金涂层硬度性能的研究现状,其中高熵合金有特殊的“4种效应”,对金属间化合物有促进作用,其内部微观结构一般为FCC、BCC或者HCP等固溶相,通常通过固溶强化、沉淀强化和分散强化来强化,并且激光熔覆法会使高熵合金涂层快速冷却,从而显著改善合金的力学性能。其次,分析了金属与非金属两大类元素对激光熔覆制备高熵合金涂层硬度强化的机理,总结了金属元素与非金属元素的添加对高熵合金涂层硬度的影响规律。最后,针对激光熔覆制备高熵合金涂层硬度性能的改进,总结出了有效的方法,并对其未来发展进行了展望。研究结果揭示了激光熔覆高熵合金涂层硬度强化的理论基础,为该领域的进一步发展提供了理论依据。