用于具有稳定机械性能的无缺陷增材制造多材料的高熵合金缓冲

《Journal of Alloys and Compounds》：High-Entropy Alloy Buffering for Defect-Free Additively Manufactured Multi-materials with Stable Mechanical Properties

　　

• •
  增材制造的SS316L/IN718多材料出现界面裂纹
• •
  高熵合金缓冲层避免形成Laves相并抑制界面裂纹
• •
  带缓冲层的接头表现出稳定且高重复性的拉伸变形行为
• •
  高熵合金缓冲的多材料因HDI强化而表现出优异的强度

引言

当代工程正被推向越来越严苛的服务环境，如裂变反应堆、极地海上安装平台和航空航天平台，这些应用对结构件提出了多功能性需求 [1]、[2]、[3]。部署在这些环境中的部件不仅需要承受机械载荷，还日益被要求提供辅助功能，包括耐受辐射损伤、抗腐蚀和抗氢脆等，具体组合由使用行业决定 [4]、[5]、[6]。在单一整体合金中实现如此广泛的功能性能几乎不可行，因为单一合金几乎在设计上就是为某一主要目的优化的 [7]。为特定应用开发新合金需要与现有制造设施和工艺相协调，这通常也需要漫长的开发周期。为了绕过这些内在局限性，通过战略性排列不同合金的多材料结构已成为在单一部件中集成互补特性的一个关键研究方向 [5]、[8]、[9]。近期研究突出了多层架构以实现多功能性，例如高熵合金涂层的增强磨蚀性能 [10]、用于断裂控制的界面设计 [11]，以及基于CoCrNi的合金和薄膜的耐磨性能 [12]、[13]、[14]。

金属增材制造（MAM），也称为金属三维（3D）打印，能够制造具有几何复杂结构的定制部件 [5]、[15]。在各种MAM技术中，定向能量沉积（DED）近年来引起了极大关注，主要归因于其以高沉积速率制造大型结构件的能力 [4]。在该过程中，粉末被注入由高能量扫描源（如激光）产生的熔池中。当熔融材料凝固时，形成薄层；此沉积循环依次重复，最终制造出三维部件 [16]。因此，对于多材料系统的制造，DED是最具吸引力的方法之一。通过独立的送粉器实现原位局部成分调制，它可以一步完成结构复杂、成分定制部件的固化 [4]。

特别地，不锈钢316L（SS316L）具有优异的低温韧性并结合良好的耐腐蚀性 [17]、[18]，而因科镍718（IN718）则提供高微观结构稳定性和优异的高温力学性能 [19]、[20]。因此，将SS316L和IN718集成到单一多材料架构中对于暴露于陡峭热梯度的部件极具吸引力，在这些区域中需要低温韧性、耐腐蚀性和高温强度 [5]、[21]、[22]、[23]。在液氧（LOX）或液氢（LH2）等火箭推进剂中，系统从低温环境进入 [24]，而燃烧区立即经历超过1,000°C的极高温度 [25]。因此，SS316L被战略性地布置在低温推进剂入口和歧管处以防止低温脆化，而IN718则用于燃烧室壁和喷管内衬以承受灾难性热载荷和蠕变。然而，在通过DED制造多材料过程中，连续的再熔和凝固循环不可避免地引发元素稀释，在接头界面处诱导形成成分混合稀释区 [26]。在此成分混合区中，局部稀释可使凝固路径偏向脆性次生相，包括Laves型金属间化合物，这些相在严重热应力下作为优先裂纹萌生位点 [27]、[28]。因此，为了克服这些物理局限性并成功制造抗裂纹多材料部件，需要采用成分设计策略。

为了防止多材料SS316L/IN718部件制造过程中的凝固裂纹，必须通过控制两种合金的互扩散来减轻脆性金属间化合物的形成。由于通过改变基体合金的合金化元素来控制互混极为困难，沉积缓冲层作为一种有效的替代策略 [29]。因此，在本工作中，在两种材料之间沉积了一层等原子比CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）缓冲层，以减轻多材料SS316L/IN718部件中的固有裂纹。等原子比CoCrFeMnNi高熵合金是一种有前景的缓冲层候选材料，因为它本质上倾向于稳定的FCC固溶体结构，对局部稀释具有良好的成分容忍性。其严重的晶格畸变显著延缓了扩散动力学，从而有效抑制了两种不同相之间的互扩散 [30]。

章节摘要

样品制备

用于DED过程的SS316L、IN718和高熵合金球形粉末通过气雾化（MK INC Co.）制备，如图1所示。高熵合金选用等原子比CoCrFeMnNi合金。SS316L的平均粒径为103.3 μm，IN718为101.0 μm，高熵合金粉末为81.6 μm，均适合DED加工。这些粉末的粒径使用激光粒度分析仪（Malvern Mastersizer 2000）进行测量。多材料样品

微观结构

所制备多材料各区域的元素成分总结于表1中。图3展示了未加和加了高熵合金缓冲层的多材料接头的化学成分。在BSE显微照片中，显著的成分对比可区分各个材料区域；SS316L区域呈现相对较暗的对比度，而IN718区域则显得明显更亮。这种强度差异从根本上归因于

结论

在本研究中，引入高熵合金缓冲层以减轻通过定向能量沉积制造的增材制造SS316L/Inconel 718多材料中的裂纹。主要结论如下。

• (1)
  将IN718直接沉积在SS316L上产生了易发生裂纹的成分混合区，这是由于其严重的热应力导致脆性次生相形成所致。
• (2)
  CoCrFeMnNi高熵合金缓冲层物理隔离了SS316L和IN718，减少了直接

CRediT作者贡献声明

Shi Woo Lee：调查。Byeong-Joo Lee：资源。Hyoung Seop Kim：写作—审阅与编辑，监督，资源，经费获取。Gyumi Han：调查。Sang Ho Oh：调查。Soo Vin Ha：调查。Jung Gi Kim：写作—审阅与编辑。Rae Eon Kim：写作—原始草稿，项目管理，方法学，调查，概念化。Man Jae Sagong：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究由韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIP）提供经费支持（NRF-2021R1A2C3006662）。

Rae Eon Kim | Man Jae Sagong | Gyumi Han | Sang Ho Oh | Soo Vin Ha | Jung Gi Kim | Shi Woo Lee | Byeong-Joo Lee | Hyoung Seop Kim