激光定向能沉積CrCoNi中熵合金循環深冷處理後的組織、耐蝕性和磨損性能

摘要：激光定向能沉積(LDED)加工的零件在反複加熱和冷卻的條件下具有相當大的殘餘(yu) 應力，嚴(yan) 重限製了工業(ye) 應用。在這項工作中，采用循環深冷處理（CDCT）對設計製造的中熵合金（MEA）進行殘餘(yu) 應力和微觀組織的調整，目的是研究CDCT循環次數、殘餘(yu) 應力和MEA微觀結構之間的關(guan) 係。本研究為(wei) 提升LDED形成的中熵合金的應用提供了新的思路

研究方法：圖1顯示了本工作中使用的CrCoNi MEA樣品的加工設備與(yu) 方法。MEA粉末的粒徑範圍為(wei) 45 ~ 105 μm。用於(yu) 沉積的基材為(wei) AISI 1045鋼，尺寸為(wei) 50mm × 50mm × 15mm。掃描策略涉及相鄰沉積層之間的s形路徑，旋轉角度為(wei) 180°。圖1（d）為(wei) LDED製造的CrCoNi樣品。圖1（e）為(wei) 樣品的CDCT工藝示意圖：在一個(ge) CDCT循環中，先在室溫下將建成的樣品浸入液氮中並保存12 h，然後將樣品取出，在室溫水中再浸泡1 h，然後再次浸入液氮。CDCT循環次數分別為(wei) 0、10、20、30次，對應的樣本分別記為(wei) as-built、CDCT-10、CDCT-20、CDCT-30。

圖1. CrCoNi MEA樣品的LDED和CDCT處理工藝。

表1. 樣品製造加工參數。

結果：圖2給出了原料粉末、構建樣品和CDCT處理樣品的XRD圖譜。樣品為(wei) FCC結構。構建樣品和CDCT處理的樣品的衍射峰向右移動，表明樣品中存在壓縮殘餘(yu) 應力（CRS）。隨著CDCT循環次數的增加，樣品的（111）峰不斷向右移動，說明CDCT是提高壓縮殘餘(yu) 應力的有效方法。峰的展寬表明晶體(ti) 有缺陷的形成。

圖2. XRD衍射結果對比。

納米壓痕試驗用來量化樣品內(nei) 部的CRS值，相應的載荷-位移曲線如圖3所示。隨著循環處理次數的增加，納米壓痕深度逐漸減小，材料硬度提高，CDCT後CRS逐漸增加。

圖3. 不同樣品的殘餘(yu) 應力對比。

圖4顯示了不同CDCT循環下樣品的EBSD結果。在CDCT前後，晶粒形態幾乎保持不變，平均晶粒尺寸變化不顯著，表明CDCT幾乎沒有改變樣品的晶粒尺寸。隨著CDCT循環次數的增加，局部取向差增大的。由KAM值計算的幾何必要位錯（GND）密度也顯示出與(yu) KAM圖相似的趨勢。

圖4. EBSD結果：(a) as-built，(b) CDCT-10， (c) CDCT-20， (d) CDCT-30。(e)晶粒度分布。(f)平均粒度， KAM和GND密度。

圖5給出了樣品的極化曲線。樣品都具有典型的鈍化行為(wei) ，而鈍化電位範圍隨CDCT循環次數而變化。CDCT- 30顯示出比其他樣品更窄的鈍化電位範圍，表明耐腐蝕能力有限。但樣品的鈍化電流密度，其表明在表麵上形成了更具保護性的鈍化膜。

圖5. 樣品的電化學試驗結果。

圖6給出了樣品的腐蝕形貌。在所有樣品中都可以看到蝕坑，證實了樣品的腐蝕類型是點蝕。隨著CDCT循環次數的增加，蝕坑的數量和麵積減少，這可能與(yu) 抑製鈍化膜局部斷裂的高CRS和致密晶體(ti) 缺陷有關(guan) 。增加CDCT循環次數能夠改善CrCoNi MEA的腐蝕性能。

圖6. (a) as-built, ( b) CDCT-10, (c) CDCT-20和(d) CDCT-30腐蝕形貌的SEM圖像。

圖7顯示了樣品的摩擦係數和磨損率。樣品的摩擦係數-時間曲線包括兩(liang) 個(ge) 階段，即磨合階段和穩定階段。as-built樣品、CDCT-10、CDCT-20和CDCT-30的平均摩擦係數分別為(wei) 0.83、0.74、0.67和0.64，表明CDCT提高了耐磨性。此外，磨損率也隨著CDCT循環次數的增加而降低。

圖7. 不同樣品的磨損試驗結果。

圖8給出了CDCT過程中殘餘(yu) 應力和微觀結構變化示意圖：在冷卻階段，發生了明顯的熱收縮，由於(yu) 晶粒相互約束，收縮受到抑製。當冷卻階段結束時，試樣內(nei) 部的晶粒內(nei) 部會(hui) 產(chan) 生較高的拉應力。在保溫階段，位錯和納米孿晶將作為(wei) 粘塑性變形過程逐漸產(chan) 生，並伴隨著拉應力的逐漸鬆弛，保溫結束時，呈現以晶體(ti) 缺陷和降低拉伸殘餘(yu) 應力為(wei) 特征的新的平衡狀態。在複溫階段，樣品的溫度恢複到室溫，然後樣品熱膨脹到初始尺寸，導致樣品內(nei) 部存在殘餘(yu) CRS。

圖8. 在CDCT過程中的微觀結構和殘餘(yu) 應力的變化。。

結論：在這項工作中，使用CDCT作為(wei) 後加工方法來調節LDED製造的CrCoNi MEA的殘餘(yu) 應力和微觀結構。研究了CDCT循環次數對LDED材料殘餘(yu) 應力、微觀組織以及腐蝕和磨損的影響：

（1）CDCT是一種有效的LDED製造CrCoNi MEA的後處理方法。經過30次CDCT循環後，材料內(nei) 的位錯密度顯著增加。

（2）CDCT引起的晶體(ti) 缺陷和高CRS導致了致密厚的鈍化膜的形成，從(cong) 而顯著提高了材料的耐腐蝕性，同時降低摩擦係數和磨損率，有利於(yu) 耐磨性的提高。

（3）在保溫階段，致密位錯和納米孿晶的形成伴隨著粘塑性變形，使冷卻至低溫時產(chan) 生的高拉伸殘餘(yu) 應力得到鬆弛。當再恢複到室溫時，樣品內(nei) 部的殘餘(yu) 應力恢複到比低溫處理前更壓縮的值。隨著CDCT循環次數的增加，粘塑性變形會(hui) 反複發生，導致更多的晶體(ti) 缺陷，從(cong) 而導致更高的CRS。

相關(guan) 工作以“Microstructure, corrosion resistance and wear properties of laser directed energy deposited CrCoNi medium-entropy alloy after cyclic deep cryogenic treatment"為(wei) 題發表在Virtual and Physical Prototyping期刊上，論文第一作者為(wei) Wenjie Zhao，通訊作者為(wei) Zhiliang Ning與(yu) Yongjiang Huang。