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首次实现电弧增材制造高熵合金

2020-11-09     

  据悉,温州大学陈希章教授团队首次突破了多股绞丝增材制造高熵合金制造技术,为大尺寸和复杂形状高熵合金材料及产品的制造提供了一种高效高质有前途的制造方法,制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金达到强度2.8GPa和延伸率42%的优异结合。


  高熵合金提出十余年来,由于理论和性能上的突破,是研究人员的研究重点之一。其中增材制造因其独特的优势,收到研究人员和产业领域的关注。增材制造所使用的材料主要是粉末和丝材两种,对高熵合金来讲,目前主要是粉末为主,用于选区激光融化(SLM)、激光熔覆(LMD)、选区电子束熔化(SEBM)和等离子弧增材制造(PPAW)等。而丝材是直接沉积增材制造的主要原材料,特别适用于大尺寸构件的制造,具有效率高、产品利用率高等优势,而高熵合金由于成分的复杂形导致流动性和偏析等问题,大尺寸产品的制造恰恰是其痛点并限制了该材料的工业应用。但高熵合金的丝材制备由于各种技术上的难点,至今未能实现,成为瓶颈技术,大大限制了该高端材料的应用。


  近日,温州大学机电工程学院陈希章教授的"先进连接与增材制造"研究团队,将各种单质或者合金丝按照设计成分计算并采用特殊工艺绞合成单根绞合式丝材(作者命名为CCW),以此丝材作为填充材料,以电弧为能源实现了高熵合金制品的增材制造。相关研究成果以"Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropy alloy using combined cable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM): Microstructure and mechanical properties" 为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》74(2021)136-142


  论文连接:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

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  该团队制备的丝材采用多种单质或者合金丝绞合而成,成功避开了高熵合金丝的制备难点。文章涉及绞合丝材由7根单质与合金丝材经计算采用特殊工艺绞制而成,直径为1.8mm,采用冷金属过渡(CMT)电弧增材技术成功制备了Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子比高熵合金。图1所示为作者所采用的技术和多股绞合丝材。绞丝相较传统合金丝具有效率高,质量好的优势。


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  图1:a. 电弧增材制造原理图;b. 绞合丝原理图;c. 绞合丝实物图


  Al-Co-Cr-Fe-Ni体系的高熵合金通过铝元素原子半径与其余几种元素的差异产生的晶格畸变来实现固溶强化。本实验通电弧增材制造在制备非摩尔比的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。打印出来的试样由FCC和BCC双相组成,其中BCC为富Al-Ni相,FCC为富Fe-Cr相。制造的高熵合金元素分布如图2所示。


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  图2:电弧增材制造Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金元素分布图


  实验通过改变沉积速度来研究热量对制得高熵合金试样组织性能的影响。通过实验发现沉积速度越快,制品晶粒越细,体现在机械性能上则是屈服强度,断裂强度和韧性都有提升(断裂强度:2835 MPa,延伸率:41.8%)。工艺参数对制造的高熵合金结构影响如图3所示。


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  Fig. 3. 不同沉积速度下高熵合金的反极图:a. 8 mm/s; b. 10 mm/s; c. 12 mm/s; d. 沉积态


  为验证产品性能,直接使用该丝材作为原料进行熔炼,保证同等成分,与增材制造试样进行对比。与熔炼试样对比发现,由于熔炼散热慢,导致晶粒粗大,严重脆化,断裂强度和韧性远不如增材制造的试样。这充分体现了增材制造的优越性。图4给出了基本增材制造高熵合金的性能及其与同成分铸件产品的对比。

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  Fig. 4. 强度试验: a. 应力应变曲线;b. 平均值.


  据悉,该团队以突破大尺寸块体材料和复杂形状高熵合金产品构件的制造和工业应用为目标,自2016年提出高熵合金的绞合丝增材制造构想,至今已经突破多项关键技术,成功掌握多种高熵合金绞合丝的制备工艺,成功采用冷金属过渡(CMT)、等离子弧、激光等丝材直接沉积手段,实现了高熵合金的绞丝直接沉积增材制造。


  论文引用:Q.K. Shen, X.D. Kong, X.Z. Chen, Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropy alloy using combined cable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM): microstructure and mechanical properties, J. Mater. Sci. Technol. 74 (2021) 136-142.


  看情况对国内期刊介绍与否


  注:JMST创刊于1985年,是中国第一本材料学科英文学术期刊,同Elsevier出版公司合作出版。JMST全年来稿数量约4000篇左右,其中近70%为海外投稿,分别来自世界各地约80多个国家和地区,总体退稿率约为93%。JMST被SCI,EI,CA等众多国际著名检索数据库收录。最新SCI影响因子为6.155,位居中国材料综合性学术期刊榜首,进入中科院分区一区(top期刊),同时,位于SCI冶金学科Q1区和材料综合学科Q1区。


关键词:电弧,增材制造,熵,合金 | 作者 :

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