激光功率对SLM制备的(FeCoNi)??Al?Ti?/316L复合材料的元素均匀化、微观组织和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》:Effect of laser power on elemental homogenization, microstructure, and mechanical properties of (FeCoNi) 86Al 7Ti 7/316L composites fabricated by SLM

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月03日 来源:Materials Science and Engineering: A 6.1

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   摘要本研究通过选择性激光熔化(SLM)技术,利用由5 wt.% (FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金(HEA)和95 wt.% 316L不锈钢组成的粉末混合物,制备了(FeCoNi)86Al7Ti7/316L复合材料。系统研究了三种不同激光功率对微观组织和力学性能的影响。

  

摘要

本研究通过选择性激光熔化(SLM)技术,利用由5 wt.% (FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金(HEA)和95 wt.% 316L不锈钢组成的粉末混合物,制备了(FeCoNi)86Al7Ti7/316L复合材料。系统研究了三种不同激光功率对微观组织和力学性能的影响。激光功率通过影响熔池中的对流和扩散,调控高熵合金在基体中的分布状态。在100 W的低激光功率下,高熵合金以新月形区域的形态分布在316L基体中。在200 W的中等激光功率下,高熵合金与316L基体近乎均匀化,并伴随明显的晶粒细化。在300 W的高激光功率下,实现了高熵合金与316L基体之间的完全混合。200 W工艺参数制备的试样表现出最优的力学性能,屈服强度为534 MPa,抗拉强度为672 MPa,伸长率为52.7%。本研究展示了一种在不牺牲塑性的前提下提高SLM 316L不锈钢综合力学性能的有效策略,为多主元高熵合金改性不锈钢提供了理论支持和技术指导。

引言

316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性、耐高温性和高韧性,被广泛应用于核电、航空航天、医疗和化工行业[1], [2], [3]。然而,316L不锈钢相对较低的强度使其在高应力服役条件下容易发生失效,限制了其应用范围[4]。随着航空航天、核电和国防相关领域对材料性能与成本平衡要求的不断提高,有必要进一步增强316L不锈钢的性能,以使其适用于更广泛的工程应用。
根据现有文献,将金属间化合物、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物引入316L不锈钢以形成增强复合材料,是提高其强度的有效途径[5], [6], [7], [8]。目前,大多数关于强化316L不锈钢的研究依赖于碳化物陶瓷颗粒的添加。尽管陶瓷增强相可以显著提高316L不锈钢的强度,但其高硬度、与基体之间较大的热膨胀系数失配以及较差的界面相容性使其难以与不锈钢基体形成可靠的冶金结合。因此,塑性变形过程中的位错运动和堆垛层错运动受到严重限制,这可能导致增强复合材料的塑性降低[9], [10]。
高熵合金(HEAs)具有高强度、高温稳定性、耐腐蚀性和耐磨性等优异性能,并且与金属基体具有良好的界面润湿性,热膨胀系数失配相对较小。因此,它们被认为是提高奥氏体不锈钢强度的前景增强相[11], [12], [13]。选择性激光熔化(SLM)是制造复杂金属结构最常用的增材制造技术之一。SLM过程中的冷却速率可达104~105K/s[14],能够形成具有内部亚结构的细晶,从而提高制件的力学性能[15], [16]。由于SLM以粉末作为原料,通过精确混合和选择多种元素粉末,可以实现原位合金化[17]。这使得在单一步骤中合成复杂成分成为可能,无需传统冶金工艺中所需的多步熔炼或后处理,在成分设计方面具有相当大的灵活性[18], [19]。
目前,关于SLM制备的HEA/316L不锈钢复合材料的研究仍然有限。现有研究表明,引入高熵合金作为增强相可以有效提高316L不锈钢的强度。Zhang等人[20]通过SLM制备了5 wt.% FeCoNiCr/316L复合材料,并报道了熔池中高熵合金元素的均匀分布。由于FeCoNiCr和316L具有相同的面心立方(FCC)晶体结构和相似的晶面间距,该复合材料保留了FCC晶格结构。Zhang等人[21]通过激光粉末床熔融制备了2 wt.% FeCoNiAlTi/316L复合材料,并研究了扫描速度对微观组织演变和力学性能的影响。他们发现,高熵合金颗粒的均匀分布促进了异质形核,导致明显的晶粒细化。Yang等人[22]使用增材制造技术制备了由304L不锈钢和CoCrFeMnNi高熵合金组成的层状复合材料,随后进行冷轧和退火处理,实现了优异的综合素质力学性能,且界面未出现脆性相析出。然而,关于SLM高熵合金/316L复合材料的研究仍处于初期阶段。SLM过程中的熔化行为以及元素互扩散、凝固和强化的机制尚未得到明确阐明。此外,高熵合金的多主元特征对316L基体的影响仍有待深入研究,已报道的高熵合金纳米颗粒的形成机制和强化效果仍然不清楚。
以往涉及Al和Ti原位合金化的研究表明,它们对316L不锈钢的力学性能具有有益作用[23], [24], [25], [26]。作为一种Fe基高熵合金,(FeCoNi)86Al7Ti7不仅具有与316L不锈钢相当的密度,还具有相似的晶体结构,能够与不锈钢基体形成良好的冶金结合。考虑到过量的高熵合金添加可能会增加SLM过程中的开裂倾向,本研究选择5 wt.% (FeCoNi)86Al7Ti7作为增强相,以平衡其微观组织调控效应和工艺稳定性。系统研究了高熵合金多主元特征对316L基体的调控效应,重点关注了SLM过程中成分分布、析出行为、微观组织演变和强化机制。由此阐明了高熵合金与316L基体之间的相互作用机制以及相关的微观组织控制机制。

章节摘要

材料

本实验所用原材料包括316L不锈钢粉末和(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金粉末。两种粉末的化学成分均使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Avio 500)测定,结果列于表1。两种粉末的粒径范围均为15-53 μm。使用304不锈钢材质的全方位行星式球磨机配制了由5 wt.% (FeCoNi)86Al7Ti7和95 wt.% 316L组成的粉末混合物

微观组织

图3展示了SLM高熵合金/316L试样的沉积态微观组织。图3(a)、(d)和(g)展示了三个试样的孔隙分布,对应的相对密度标注在各图像上方。三个试样均表现出较高的相对密度(>99.5%),其中A1试样密度最低,A2试样密度最高,为99.74%。试样中含有小型不规则形状孔隙。孔隙缺陷是金属增材制造中最常见的缺陷之一

元素分布分析

从熔池内物质传输的角度来看,高熵合金和316L熔体的混合受到对流流动和溶质扩散的共同控制。其中,马兰戈尼对流为不同合金熔体之间的混合提供了关键驱动力。马兰戈尼对流在熔池内引发强烈搅拌,有助于提高合金成分的均匀性。马兰戈尼对流的强度可通过马兰戈尼无量纲数(Ma)进行评估[32]

结论

本研究成功通过SLM技术制备了(FeCoNi)86Al7Ti7/316L复合试样,并系统研究了三种不同工艺参数下沉积态试样的成形质量、成分分布、微观组织和力学性能。主要发现和结论总结如下:
  • (1)
    A1试样(100 W)中,熔池处于热传导模式,马兰戈尼对流较弱,元素混合

作者贡献声明

吴裕涵:撰写初稿、调查研究、数据整理。杨海欧:撰写审阅与编辑、指导、资源、项目管理。林鑫:指导、资源

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

数据可用性

数据集可向通讯作者合理请求获取。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到广东省重点领域研发计划(编号:2023B0909020002)的资助。
吴裕涵|杨海欧|林鑫
西北工业大学深圳研究院,中国深圳 518063
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