張理 曹立超

學(xué)術(shù)研究

激光輔助增材制造CoCrNi中熵合金的縱向力學(xué)性能研究*

張理1,2曹立超2

（1.廣東中科德弗激光科技有限公司，廣東 佛山 528000 2.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

針對(duì)鈷鉻鎳（CoCrNi）增材制造過(guò)程中，因熱傳導(dǎo)具有方向性，且受層間結(jié)合強(qiáng)度和材料顯微結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致CoCrNi的縱向（平行于材料沉積方向）力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率）較差的問(wèn)題，采用激光輔助增材制造方法制備CoCrNi中熵合金。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著打印工件沉積高度增加，散熱性變差，出現(xiàn)較大的外延晶，且產(chǎn)生熱裂紋；制備的CoCrNi縱向力學(xué)性能明顯低于文獻(xiàn)[9]的橫向力學(xué)性能，但保持了相對(duì)較好的強(qiáng)度和韌性。

CoCrNi；中熵合金；激光輔助增材制造；縱向；力學(xué)性能

0　引言

CoCrNi中熵合金由Co、Cr、Ni三種元素以等原子比組成，是一種具有較好低溫性能和單一面心立方結(jié)構(gòu)的新型中熵合金，其強(qiáng)度和韌性?xún)?yōu)于大多數(shù)單元合金及高熵合金[1]。當(dāng)前，CoCrNi及其合金主要通過(guò)鑄造、粉末冶金等方法制造[2]，需經(jīng)過(guò)一系列的后處理過(guò)程才能獲得較好的力學(xué)性能，如LIU等[3]用鑄造法得到的CoCrNi屈服強(qiáng)度僅有230 MPa；SHANG等[4]經(jīng)過(guò)再結(jié)晶處理獲得的CrCoNi屈服強(qiáng)度僅有242MPa；高翔等[5]對(duì)鑄造的CoCrNi進(jìn)行熱鍛造，分別得到380 MPa的屈服強(qiáng)度、850 MPa的抗拉強(qiáng)度、92%的延伸率；薛雨杰等[6]對(duì)鑄造的CoCrNi進(jìn)行熱軋，獲得超過(guò)700 MPa的抗拉強(qiáng)度、80%以上的延伸率；ZHAO等[7]以CoCrNi為基體設(shè)計(jì)(CoCrNi)Al3Ti3合金，經(jīng)過(guò)固溶、冷軋、淬火、時(shí)效等一系列處理，獲得較高的抗拉強(qiáng)度和較好的力學(xué)性能。

鑄造的CoCrNi屈服強(qiáng)度較低，限制了該種材料的進(jìn)一步發(fā)展。增材制造是一種新型材料近凈成型技術(shù)，基于逐層累積的方法獲得設(shè)計(jì)工件的形狀及尺寸。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，該方法具有數(shù)字化、智能化、制造周期短等特點(diǎn)[8]，如WENG等[9]通過(guò)激光輔助增材制造方法制備的CoCrNi中熵合金，在室溫下橫向（垂直于材料沉積方向）的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到620.5 MPa、873.5 MPa、44.8%。

增材制造過(guò)程中，由于熱傳導(dǎo)具有方向性，導(dǎo)致晶粒的生長(zhǎng)也有一定的方向性，材料的各向異性是增材制造過(guò)程的主要問(wèn)題之一。此外，打印工件縱向的層與層之間結(jié)合性較差，影響其縱向拉伸性能。當(dāng)前文獻(xiàn)關(guān)于增材制造CoCrNi中熵合金在縱向（平行于材料沉積方向）上的研究較少。本文利用激光輔助增材制造方法，對(duì)激光增材制造CoCrNi中熵合金縱向的力學(xué)性能進(jìn)行探究。

1　實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)材料采用粒徑為15～53 μm的CoCrNi粉末，其中，Co、Cr、Ni的含量分別為34.14%、30.14%、35.72%。激光輔助增材制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：德國(guó)IPG公司的摻鐿（Yb）稀土離子YLS-6000-S2T型光纖激光器，最大功率為6 000 W；德國(guó)普雷茨特公司的YC52型激光頭，可搭載環(huán)形同軸噴嘴；瑞士美科（Metco）公司的Twin-150送粉器，最小送粉速率為2 g/min，最大送粉速率可達(dá)150 g/min。采用純氬氣（純度為99.999%）作為熔池保護(hù)氣以及送粉的載氣，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 激光輔助增材制造CoCrNi的參數(shù)

激光輔助增材制造CoCrNi的打印策略及組織、性能測(cè)試方法和拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1　激光輔助增材制造CoCrNi的打印策略及組織、性能測(cè)試方法和拉伸試樣尺寸

CoCrNi打印過(guò)程中，需保持相鄰兩層的打印方向?yàn)?0°，單道打印寬度為1.3 mm，搭接率為50%。隨著打印層數(shù)及高度增加，工件整體散熱變差。為減少打印工件因過(guò)熱而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力及熱裂紋，可分為多段、多次打印。每次待打印工件表面溫度降至約120℃時(shí)再繼續(xù)打印，打印工件尺寸為50 mm×50 mm×120 mm。拉伸試樣的尺寸如圖1所示，平行段長(zhǎng)度為32 mm，原始標(biāo)距為25 mm。

2　實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

將打印工件進(jìn)行線(xiàn)切割，分別進(jìn)行金相組織觀察、顯微硬度測(cè)試、抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

首先，分別用粗細(xì)SiO2砂紙對(duì)金相試樣研磨并用拋光機(jī)拋光；然后，對(duì)研磨、拋光后的金相試樣用 HCl + CuCl2溶液腐蝕4 min；最后，利用萊卡金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果如圖2所示。

圖2　激光輔助增材制造CoCrNi的光學(xué)金相組織

由圖2可以看出，層與層之間的邊界、熱裂紋、外延晶清晰可見(jiàn)。

本文工件采用逐層堆積的方式打印，在層與層的結(jié)合處，可以觀察到由于CoCrNi粉末未完全熔化、熔池凝固不好、材料填充不及時(shí)等原因?qū)е碌奈慈诤犀F(xiàn)象。未融合導(dǎo)致層與層之間的結(jié)合性較差，在拉伸過(guò)程中，容易成為裂紋源，使斷裂進(jìn)一步擴(kuò)展。

在打印工件過(guò)程中，初始堆積階段熱量主要通過(guò)基板疏散；隨著打印工件高度增加，熱量主要集中在打印工件的端部，散熱面積小、效率低、冷卻速率慢，導(dǎo)致工件內(nèi)晶粒粗大并產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，使其產(chǎn)生熱裂紋，從而影響力學(xué)性能。

打印工件內(nèi)晶粒沿打印方向生長(zhǎng)，即沿?zé)醾鲗?dǎo)方向生長(zhǎng)。部分晶粒呈長(zhǎng)軸狀，長(zhǎng)度可達(dá)幾層，這種晶粒被稱(chēng)為外延晶。在打印工件過(guò)程中，激光將前一層部分組織融化，形成熔池，并通過(guò)噴嘴向熔池內(nèi)添加CoCrNi粉末，該層部分晶粒會(huì)沿?zé)崃總鬟f方向繼續(xù)長(zhǎng)大，形成外延晶。

通過(guò)萊卡金相顯微鏡在更高倍數(shù)下進(jìn)一步觀察激光輔助增材制造CoCrNi的顯微金相組織，如圖3所示。

圖3　激光輔助增材制造CoCrNi的顯微金相組織

從圖3(a)可以看到明顯的外延晶，其長(zhǎng)度跨越2條熔池邊界；從圖3(b)可以看到熱裂紋，該裂紋屬于晶間裂紋，沿晶粒邊界方向擴(kuò)展。

隨機(jī)選取試樣區(qū)域的26個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試（硬度計(jì)型號(hào)為HVS1000），加載荷300 g，保載時(shí)間15 s。采用ONH836型氫氧氮分析儀對(duì)打印工件進(jìn)行氧含量測(cè)試，取樣位置與金相觀察位置相同，如圖4所示。

圖4　激光輔助增材制造CoCrNi的顯微硬度

由圖4可知，激光輔助增材制造CoCrNi的平均顯微硬度為243.2 HV。由于打印過(guò)程中出現(xiàn)重熔、熔化邊界等區(qū)域，各區(qū)域顯微組織的差異性導(dǎo)致其顯微硬度出現(xiàn)較大波動(dòng)。

拉伸試樣的選取位置及尺寸如圖1所示。利用INSTRON 5982萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸過(guò)程保持應(yīng)變速率為10-3/s-1不變。試樣拉伸后采用TESCAN MIRA LMS掃描電子顯微鏡拍攝樣品的斷口形貌，并進(jìn)行能譜線(xiàn)掃描測(cè)試，以分析斷口處的化學(xué)成分及含量。斷口形貌拍攝時(shí)加速電壓為3 kV，能譜線(xiàn)掃描拍攝時(shí)加速電壓為15 kV，探測(cè)器為SE2二次電子探測(cè)器。為減小誤差，降低偶然因素的影響，實(shí)驗(yàn)選取3組拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試，拉伸結(jié)果如表2所示。激光輔助增材制造CoCrNi的縱向抗拉強(qiáng)度-延伸率曲線(xiàn)如圖5所示，縱向拉伸斷口形貌如圖6所示。

表2　激光輔助增材制造CoCrNi的力學(xué)性能

圖5　激光輔助增材制造CoCrNi縱向抗拉強(qiáng)度-延伸率曲線(xiàn)

圖6　激光輔助增材制造CoCrNi的縱向拉伸斷口形貌

由表2可知，激光輔助增材制造CoCrNi的平均屈服強(qiáng)度為381.1 MPa、平均抗拉強(qiáng)度為547.9 MPa、平均延伸率為29.0%。與文獻(xiàn)[9]橫向激光輔助增材制造CoCrNi的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度620.5 MPa、抗拉強(qiáng)度873.5 MPa、延伸率44.8%）相比，縱向力學(xué)性能明顯降低，主要原因是裂紋、未融合等缺陷的影響，但利用該方法制造的CoCrNi中熵合金在縱向上獲得了明顯優(yōu)于鑄造CoCrNi的屈服強(qiáng)度[6-7]。

由圖6可以觀察到：激光輔助增材制造CoCrNi的縱向拉伸斷口均勻分布大量的細(xì)小韌窩，表明材料具有較好韌性；進(jìn)一步放大可以看到，韌窩內(nèi)部存在數(shù)量較多的球形顆粒，這是由于激光輔助增材制造在開(kāi)放環(huán)境中進(jìn)行，雖然同軸噴嘴中的保護(hù)氣和送粉氣可防止粉末及打印工件被氧化，但打印工件仍會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，球形顆粒即為氧化物顆粒。氧含量的測(cè)試結(jié)果顯示，打印工件的氧含量為0.031%。

采用能譜線(xiàn)掃描方法進(jìn)一步分析斷口處的元素及含量，如圖7所示。

圖7　斷口處能譜線(xiàn)掃描及元素含量分析

由圖7可以看出；斷口處的主要元素為Co、Cr、Ni，含有少量O元素；WENG等[9]研究表明，Cr更容易被氧化，斷口處的氧化物主要是Cr2O3，且顆粒尺寸小于200 nm，表明打印工件過(guò)程中雖然出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象，但氧化程度并不高。

3　結(jié)論

本文采用激光輔助增材制造方法制備CoCrNi中熵合金過(guò)程中：

1）隨著材料沉積高度增加，散熱性變差，出現(xiàn)較大外延晶，產(chǎn)生熱裂紋、未融合等缺陷；

2）粗大晶粒、熱裂紋及層間結(jié)合強(qiáng)度弱于橫向打印的結(jié)合強(qiáng)度，使激光輔助增材制造CoCrNi的縱向力學(xué)性能明顯比橫向差；

3）出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，氧化物顆粒主要是Cr2O3，在噴嘴防護(hù)作用下，氧化顆粒細(xì)小，氧含量較低；

4）雖然有熱裂紋等缺陷產(chǎn)生，其縱向力學(xué)性能仍比鑄造CoCrNi好，平均屈服強(qiáng)度達(dá)381.1 MPa，平均抗拉強(qiáng)度達(dá)547.9 Mpa，延伸率為29.0%。

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Research on Longitudinal Mechanical Properties of CoCrNi Medium Entropy Alloy Fabricated by Laser Aided Additive Manufactured

ZHANG Li1,2CAO Lichao2

(1. Guangdong, CAS Dofortune Laser Technology Co., Ltd. Foshan 528000, China 2. Institute of Intelligent Manufacturing, GDAS, Guangzhou 510070, China)

In view of the poor longitudinal (parallel to the material deposition direction) mechanical properties (yield strength, tensile strength and elongation) of CoCrNi due to the directionality of heat conduction and the influence of interlayer bonding strength and material microstructure during the manufacturing of CoCrNi additive, a laser aided additive manufacturing method was used to prepare CoCrNi medium entropy alloy. The experimental results show that with the increase of the deposition height of the printing workpiece, the heat dissipation becomes poor, large epitaxial crystals appear, and thermal cracks occur; The longitudinal mechanical properties of the prepared CoCrNi are significantly lower than the transverse mechanical properties of reference [9], but maintain relatively good strength and toughness.

CoCrNi; medium entropy alloy; laser aided additive manufacturing; longitudinal; mechanical properties

張理,曹立超.激光輔助增材制造CoCrNi中熵合金的縱向力學(xué)性能研究[J].自動(dòng)化與信息工程,2022,43(3):15-19,30.

ZHANG Li, CAO Lichao. Research on longitudinal mechanical properties of CoCrNi medium entropy alloy fabricated by laser aided additive manufactured[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(3):15-19,30.

TG174.44

A

1674-2605(2022)03-0003-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.03.003

佛山市科技創(chuàng)新項(xiàng)目（S0AA-KJ919-4402-0101）

張理，男，1990年生，博士研究生、助理研究員，主要研究方向：激光增材制造。E-mail: l.zhang@giim.ac.cn

曹立超，男，1991年生，碩士，工程師，主要研究方向：爬壁機(jī)器人、增材制造。