Age-hardening behavior of a novel FeCoNi medium entropy alloy by additive manufacturing
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摘要:
采用激光选区熔化(SLM)增材制造技术制备了一种新型FeCoNi中熵合金,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射技术(EBSD)和透射电子显微镜(TEM),研究热处理对合金微观组织与硬度的影响规律,揭示SLM中熵合金的强化机理。结果表明,沉积态合金致密度为99.9%以上,平均晶粒尺寸为2.2 μm,组织为单相BCC结构,硬度为32.6 HRC。经过470 ℃热处理后,在晶界和晶内析出双尺寸的Ni3Fe金属间化合物,硬度大幅增加到47.6 HRC。随着热处理温度的进一步增加,合金中生成了粗大的FCC软化相,且FCC相的含量随热处理温度的升高逐渐增多,700 ℃热处理后FCC相含量达到36%,合金的硬度降低至36.3 HRC。因此,热处理过程中析出富Ni金属间纳米相是提升FeCoNi中熵合金性能的主要原因之一。
Abstract:A novel FeCoNi medium entropy alloy was fabricated by selective laser melting (SLM) additive manufacturing technology. Effect of heat treatment on microstructure and hardness of the alloy was studied by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), electron backscatter diffraction (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM), and strengthening mechanism of SLM medium entropy alloy was revealed. The results showed that relative density of deposited alloy was above 99.9%, and average grain size was 2.2 μm. Microstructure was single-phase BCC structure, and hardness was 32.6 HRC. After heat treatment at 470 ℃, dual-size Ni3Fe intermetallic compounds precipitated at grain boundary and in grains, and hardness increased significantly to 47.6 HRC. With the further increase of heat treatment temperature, coarse FCC softening phase was formed in the alloy, and content of FCC phase gradually increased with the increase of heat treatment temperature. Content of FCC phase reached 36% after 700 ℃ heat treatment, and hardness of the alloy decreased to 36.3 HRC. Therefore, precipitation of rich-Ni intermetallic compound in BCC matrix during heat treatment was one of the main reasons for improving properties of FeCoNi medium entropy alloy.
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Keywords:
- medium entropy alloy /
- selective laser melting /
- heat treatment /
- microstructure /
- Rockwell hardness
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0. 前言
中高熵合金打破了传统合金以混合焓为主的单主元成分设计理念,是一种有广泛应用前景的新型高性能金属材料[1]。尤其是最近Gludovatz等学者[2]在研究CrCoNi中熵合金时发现,其室温抗拉强度高达1 GPa,断后伸长率为70%,力学性能显著优于CrMnFeCoNi高熵合金。因此,中熵合金虽然其混合熵较低,综合力学性能高于同类元素的高熵合金,更具工业应用潜力,受到研究人员的广泛关注。
前期,针对中熵合金的研究大多数集中在CrCoNi体系[3 − 4],如研究发现CrCoNi合金较低的层错能更容易形成孪晶结构,孪晶界阻碍位错运动的同时为其提供大量的位错存储位置,可实现1 800 MPa高强度和45%断后伸长率的优异结合,展现出优异性能。然而,对于FeCoNi中熵合金而言,其室温力学性能较差,屈服强度和硬度较低[5],只有180 MPa,硬度为270 HV,这极大的限制了实际应用。因此,如何提高FeCoNi中熵合金的强度,同时保持良好的延展性是目前主要研究方向。
前期研究发现,通过添加Ti,Al和V等合金元素,析出第二相可大幅提高FeCoNi中熵合金的强度。如Yang等学者[6]研究发现添加Al-Ti进行纳米复合,利用有序-无序共格纳米结构实现强度与塑性的平衡,室温下具有高抗拉强度(1 446 MPa)和高塑性(46%)。另外,采用选区激光熔化(SLM)技术,抑制脆性金属间化合物的形成同时获得细小晶粒,也是提升材料力学性能方法之一。Mu等学者[7]采用选区激光熔化成形的(FeCoNi)AlTi合金由于获得了高密度位错和高体积分数析出相,最终合金表现出优异的强度和延展性。除此之外,通过热处理形成大量纳米级球状和棒状析出物,这些弥散分布的析出相显著强化基体,提升合金的硬度。An等学者[8]研究发现,FeCoNi合金在900 oC退火过程中形成大量退火孪晶,从而使孪晶界体积分数增加,而孪晶界可起到固定位错并促进位错塞积的作用,使得FeCoNi中熵合金兼具较高的强度(540 MPa)和优异的延展性(50%)。最近该文研究发现激光选区熔化成形FeCoNi中熵合金,其硬度与时效热处理温度密切相关,经470 ℃时效热处理后硬度大幅提高至47.6 HRC,而且与CrCoNi[9]中熵合金相当。因此,FeCoNi中熵合金热处理过程中强化的机理需要进一步研究。
综上,该文采用激光选区熔化成形技术制备FeCoNi中熵合金,首先,研究成形工艺参数对中熵合金致密度的影响;其次,研究热处理温度对合金微观组织和硬度的影响规律;最后,结合不同热处理态样品的微观组织结构,揭示SLM中熵合金热处理过程中的强化机理。
1. 试验材料与方法
试验材料为气雾化制备的FeCoNi中熵合金粉末,粉末平均粒径为34.8 μm,其化学成分为(质量分数,%)40Fe-15Ni-45Co。
采用激光选区熔化技术制备FeCoNi合金试样,成形试样尺寸为10 mm × 10 mm × 12 mm。其中SLM系统配备500 W单模光纤激光器,激光光斑直径30 μm。扫描间距为100 μm,层厚固定为30 μm,扫描策略采用相邻层间旋转67°,激光功率为120~280 W,扫描速度为700~1 300 mm/s,FeCoNi合金具体成形参数见表1。
表 1 SLM成形工艺参数编号 功率
P/W扫描速度 v/(mm·s−1) 编号 功率
P/W扫描速度 v/(mm·s−1) 1 120 700 9 200 1 100 2 150 700 10 220 1 100 3 180 700 11 240 1 100 4 200 700 12 260 1 100 5 150 900 13 220 1 300 6 180 900 14 240 1 300 7 200 900 15 260 1 300 8 220 900 16 280 1 300 选择致密度99.9%以上试样为研究对象,对合金进行不同温度保温1 h(300 ℃,400 ℃,470 ℃,600 ℃和700 ℃)时效热处理。试样经研磨、抛光之后在光学显微镜下取任意位置放大倍数为50倍的5张照片,采用Image-Pro-Plus软件统计显微孔洞面积分数。试样经过标准磨抛后采用体积分数10%的 H3PO4电解腐蚀10 s,使用蔡司Axio Scope5型光学显微镜(OM)和JSM-IT800扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织;样品经Gatan PIPS-695离子减薄仪对透射电镜试样进行减薄制样后,使用FEI Talos F200透射电子显微镜(TEM)和能谱仪(EDS)观察试样高倍组织及元素分布;标准磨拋后振动抛光4 h,对试样进行电子背散射衍射(EBSD)测试分析晶粒形貌及取向关系;采用Ultima Ⅵ型X射线衍射仪(XRD)测试沉积态试样与热处理态试样的物相结构;利用Rockwell 574型洛氏硬度计测量试样不同时效处理后的显微硬度,5点取平均值。
2. 试验结果及讨论
2.1 工艺参数对显微组织的影响
图1是工艺参数对FeCoNi中熵合金显微孔洞的影响。结果发现,当扫描速度为700 mm/s,900 mm/s和1100 mm/s时,试样显微孔洞的面积分数随激光功率的增大而降低;当扫描速度为1300 mm/s时,显微孔洞的面积分数随激光功率增大呈现先降低后增大的现象(图1(a))。扫描速度为700 mm/s时,激光功率120 W下发现较多未熔合孔洞(图1(b)),显微孔洞的面积分数达到1.5%;随着激光功率增大,显微孔洞面积分数逐渐降低,分别达到0.14%和0.05%,如图1(c)和图1(d)所示;当激光功率为200 W时,成形试样接近全致密,显微孔洞面积分数为0.01%(图1(e))。
激光能量密度作为激光加工的关键工艺参数之一,直接决定了热输入和熔池的尺寸及形貌[10]。当激光功率为120 W时,由于能量输入较低,造成粉末熔化不完全而形成较多未熔合孔洞,随着激光功率增大,输入能量越多,显微孔洞面积分数逐渐降低。另外随着激光扫描速度的增加,能量密度降低,激光与单位体积粉末之间的作用时间缩短,使熔池尺寸减小,也容易形成未熔合孔洞。因此,随着扫描速度增加,样品所需要对应的激光功率也随之增加。但是对于1 300 mm/s高扫描速度,容易引起熔池不稳定,球化效应使熔道不连续,影响下一层均匀铺粉,成为形成内部孔洞的主要因素,最终使得试样成形质量不佳[11]。综上所述,当激光功率为200 W、扫描速度为700 mm/s、扫描间距为100 μm、层厚为30 μm时,SLM成形试样的致密度可以达到99.9%。因此,采用该参数制备试样,研究不同时效处理对微观组织和硬度的影响行为。
2.2 热处理对中熵合金微观组织的影响
图2为FeCoNi中熵合金不同热处理后的晶粒形貌。结果发现,沉积态试样主要为等轴晶组织,统计结果表明晶粒尺寸范围为1.6 ~3.8 μm,平均尺寸为2.18 μm。300 ℃热处理后,晶粒尺寸分布变化不明显,平均晶粒尺寸为2.04 μm。进一步提高热处理温度后,原始等轴晶发生细化,形成较多细小晶粒,晶粒尺寸逐渐减小。400 ℃,470 ℃,600 ℃和700 ℃时效后样品的平均晶粒尺寸分别为1.30 μm,1.32 μm,1.25 μm和1.46 μm,不同温度时效处理均使晶粒尺寸减小。与传统铸造制造工艺相比,SLM技术冷速高,从而晶粒明显细化,显著小于电弧锭晶粒尺寸87 μm[5]。沉积态样品在高温热处理过程中,发生动态再结晶行为,晶界是形核的首选位置,较小晶粒优先在晶界位置形核,导致出现很多细小晶粒。随着热处理温度的升高,原子扩散能力越强,再结晶晶粒体积分数增加。因此,600 ℃热处理后出现大量1 μm晶粒,平均晶粒尺寸降低到1.25 μm。
图3是沉积态试样和不同时效处理后的显微组织形貌。沉积态主要由胞状晶和柱状晶组成,组织中未发现有明显的析出相,呈现为单相组织,如图3(a)所示。时效处理后样品的微观组织发生明显变化,经过300 ℃热处理后,在晶界区域开始析出白色颗粒第二相,这与沉积态样品的微观结构存在显著不同,如图3(b)所示。随着热处理温度的升高,析出相的数量增多,除了晶界,晶内也逐渐析出细小的白亮第二相,如图3(c)和图3(d)所示。尤其是600 ℃热处理后,析出相尺寸和数量显著增加的同时析出相类型发生变化,如图3(e)所示。经过700 ℃热处理后,析出大量灰色片状组织,合金呈现为两相组织。
采用XRD研究沉积态及不同热处理态合金的物相结构,如图4所示。结果可见,沉积态主要为BCC简单固溶体;300 ℃,400 ℃时效处理后合金相结构不变,为单相BCC结构;合金经过470 ℃,600 ℃和700 ℃热处理后,出现FCC新相(PDF卡片号#47-1417)。
基于BCC相(110)晶面和FCC相(111)晶面的衍射强度来表示各相所占百分比,用I(111)F/I(110)B估计FCC相的相对含量[12],从计算结果可知,合金经过470 ℃时效处理后析出含量为3%的FCC相;当时效温度升高到600 ℃和700 ℃时,FeCoNi中熵合金中的析出相含量逐渐增加,他们的含量分别为21%和36%。
采用TEM进一步表征合金中析出相,结果如图5和图6所示。470 ℃热处理后晶界处析出的不连续颗粒状析出相,主要富含Ni元素(图5(a))。另外在晶粒内部发现大量更加细小弥散的针状纳米相,析出相的尺寸约为15~50 nm,弥散分布于基体中,由EDS结果可知:该纳米析出相同样富含Ni元素(图5(b))。根据TEM结果可知,沉积态基体为BCC结构的CoFe相(图6(a)),300~470 ℃热处理过程中逐渐析出白色颗粒第二相,为FCC结构的Ni3Fe相(图6(b)),700 ℃热处理后出现的粗大白色块状相,为富含NiFe的FCC相(图5(c)和图6(c))。
前期研究Fe-Ni平衡相图发现[13],在400~ 500 ℃区间存在γ(Fe,Ni)固溶体向Ni3Fe金属间化合物转变。本实验FeCoNi中熵合金,经过470 ℃时效处理后同样析出富Ni的Ni3Fe相(图5)。析出相形核时需要一定的临界形核能量,储存在晶界高于晶粒内部的能量可以为析出相的形核提供驱动力,从而有利于析出相在晶界的形核。此外,晶界处位错密度较大,晶粒的质点排列取向有一定的差异,积累了大量的畸变能,为析出相形核积累足够的驱动力,导致析出相优先在晶界处形核,而且晶界析出相尺寸较大(图5(a))。热处理温度升高600 ℃时,Ni3Fe相逐渐熔解,并转变为FCC相。与前人研究Ni-Fe二元和Cu-Ni-Fe三元合金的结果相似[14 − 15],Ni3Fe相在517 ℃左右发生相变,超过550 ℃时效后,Ni3Fe相消失。进一步升高热处理温度为700 ℃,FCC相含量逐渐增加为36%。
2.3 热处理对中熵合金硬度的影响
图7为热处理对FeCoNi中熵合金硬度的影响。结果发现,沉积态硬度为32.6 HRC,随着热处理温度的升高合金硬度先增大后减小,470 ℃保温后硬度上升到最大值47.6 HRC,进一步提高到700 ℃保温后硬度下降到36.3 HRC。
通过前期研究发现,FeCoNi中熵合金的强化机制主要有3种:沉淀强化、细晶强化和短程有序强化等。沉淀强化效果一般依赖于沉淀类型、尺寸和分布情况,沉积态样品在较低温度(300~470 ℃)的时效处理过程中,在晶界和晶内形成不同含量和尺寸的Ni3Fe析出相。合金在300 ℃热处理后,晶界析出相Ni3Fe的尺寸细小,密度较低,导致析出相对合金硬度的强化作用较弱,硬度从沉积态32.7 HRC提高至36.8 HRC。470 ℃热处理后,在晶界形成尺寸更大Ni3Fe的同时,晶内也析出大量的纳米尺度Ni3Fe相,而且晶内Ni3Fe析出相尺寸更小,对位错能力钉扎更强,大幅提高合金强度,硬度升高47.6 HRC。
当温度高于470 ℃时,时效温度高于强化相的析出区间,因而直接发生了FCC相变,由于FCC为软化相,因此600 ℃热处理后合金硬度逐渐降低为42.2 HRC;700 ℃时效FCC相含量大幅提高至36%,导致硬度降低到36.3 HRC。与沉积态样品相比,热处理后样品发生动态再结晶,平均晶粒尺寸变小。根据Hall-Petch公式可知,晶粒尺寸越细小,强度越高,因此热处理过程中晶粒细化导致晶界含量增加,从而对位错滑移产生强烈的阻滞效应,使时效处理后合金硬度提高。除此之外,研究人员发现中高熵合金的长程无序、短程有序和点阵畸变也都会改变位错滑移阻力,从而影响合金的力学性能[16 − 17]。
3. 结论
(1)在不同扫描速度下,随着激光功率的增加,选区激光熔化成形的FeCoNi合金孔隙率整体上呈现下降趋势。在激光功率200 W、扫描速度700 mm/s、扫描间距100 μm、层厚30 μm时,FeCoNi合金致密度为99.9%以上。
(2)沉积态FeCoNi中熵合金微观组织为单相BCC结构,平均晶粒尺寸为2.18 μm,硬度为32.6 HRC;时效处理使合金发生再结晶导致晶粒细化,硬度逐渐升高;600 ℃和700 ℃热处理在BCC基体上析出粗大的FCC软化相并且体积分数从21%逐渐增加到36%,导致硬度降低。
(3)经470 ℃时效处理后,析出Ni3Fe金属间化合物,尤其是晶内纳米析出相,有效阻碍位错运动,使得合金硬度增加到最大47.6 HRC。热处理过程中Ni3Fe强化相的析出是导致FeCoNi中熵合金强度提高的主要原因之一。
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表 1 SLM成形工艺参数
编号 功率
P/W扫描速度 v/(mm·s−1) 编号 功率
P/W扫描速度 v/(mm·s−1) 1 120 700 9 200 1 100 2 150 700 10 220 1 100 3 180 700 11 240 1 100 4 200 700 12 260 1 100 5 150 900 13 220 1 300 6 180 900 14 240 1 300 7 200 900 15 260 1 300 8 220 900 16 280 1 300 -
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