激光功率對激光熔化沉積CoCrNi中熵合金組織及性能的影響

宋晨曉,趙 偉,馬 琦,李 想

齊魯工業大學(山東省科學院) 機械工程學部,山東 濟南 250353

中熵合金由三個主元組成,摩爾分數幾乎相等,可以通過調整某個或多個組元的原子比例來改善其性能,其屬于Cantor等[1]和Yeh等[2]提出的多主元合金,因其表現出顯著的特性而引起了科學界的廣泛關注[3]?；诟绯霈F的CrCoNiFeMn高熵合金體系的“高熵效應”,Wu等[4]對比二元、三元和四元等原子系統的顯微硬度發現,CoCrNi中熵合金的硬度最高。

三元CoCrNi合金的優越性在過去5～10年里不斷的被發現,且中熵合金的合金化成本相對便宜于高熵合金的合金化,開啟了中熵合金研究的新時代[5]。中熵合金在很寬的溫度范圍內具有優異的力學性能,Gludovatz等[6]發現CoCrNi中熵合金與CrCoNiFeMn高熵合金相比具有更高的低溫韌性。Liu等[7]發現CoCrNi中熵合金涂層可應用于雨量計外殼的表面,其涂層在酸性雨水中表現出優異的耐腐蝕性,并具有良好的力學性能,可延長雨量計的使用壽命。

激光熔化沉積具有稀釋率低、熱影響區小和溫度梯度較大等優點[8],是增材制造中熵合金的一種經濟高效且周期短、兼顧精確成型與數控的技術[9-11]。Weng等[12]發現,激光輔助增材制造的CoCrNi中熵合金的變形機制是位錯滑移和孿晶位錯的結合,其微觀硬度和延展性都很好,極限抗拉強度、屈服強度和斷裂后的伸長率分別為873.5 MPa、620.5 MPa和44.8%。Niu等[13]發現,選擇性激光熔化的CoCrNi中熵合金的微觀組織中具有超細的FCC固溶體相,其抗拉強度是鑄造或鍛造CoCrNi中熵合金的兩倍。

目前,CoCrNi中熵合金研究主要集中在兩個方面:一是探索其優異的低溫特性;二是改善其力學特性,尤其是屈服強度和硬度。國內外對CoCrNi中熵合金的研究主要集中在塊狀,且主要采用澆鑄、燒結等方法制備,存在著較大的局限性。激光熔化沉積技術增材制造中熵合金的研究較少,本文擬以CoCrNi中熵合金為對象,采用激光熔化沉積,通過改變激光功率對其表面形貌、截面形貌、微觀形貌和顯微硬度方面進行研究,并在此基礎上,得到具有較低孔隙率、較低稀釋率和較高質量的CrCoNi中熵合金沉積層。研究結果將闡明激光功率與CoCrNi中熵合金沉積層微觀結構和硬度之間的內在聯系。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗所需要的基板為Q235碳素結構鋼,尺寸為70 mm×50 mm×6 mm,其化學成分如表1所示。實驗所用粉末為100～200目(直徑75～150 μm)高純Co粉、Cr粉和Ni粉。

表1 Q235碳素結構鋼化學成分及質量分數 單位:%

1.2 激光熔化沉積

激光熔化沉積前,先將基板在電阻爐中以200 ℃烘干1 h,爐冷后取出。用粗砂紙去除基板表面的氧化物和油污,打磨好后用超聲清洗5 min,最后用酒精擦洗吹干。用V型混粉機機械混合等摩爾的CoCrNi中熵合金粉末2 h。光纖激光熔化沉積設備的型號是DM1000,實驗過程中采用氬氣保護的同軸送粉系統,激光按照“口”型路徑掃描兩道,即第一熔道末端連接第二熔道的起點和第二熔道的末端連接第一熔道的起點,第一熔道與第二熔道的搭接率為30%,循環往復向上堆疊十層。

如表2所示,選擇中間量1 200 W為基礎功率設計了6組試驗來確定合適的工藝參數(光斑直徑、掃描速度),光斑直徑為3 mm時,不同掃描速度的沉積層成形質量都不佳。光斑直徑為2 mm時,沉積層的成形質量較好,固定光斑直徑為2 mm。掃描速度7 mm/s時,速度過慢,稀釋率較大,基體熔化較多。掃描速度13 mm/s時,速度過快,合金粉末沒有完全熔化,冶金結合不足。激光功率為1 200 W,掃描速度為10 mm/s時,沉積層熔道直且規則。激光功率偏低時,熱輸入不足,有一層未熔粉末附著在熔道表面,沉積層與基板未完全結合,發生翹曲。激光功率過高時,粉末過度熔化,沉積層塌陷。因此,確定激光功率在800、1 000、1 200、1 400、1 600 W時,光斑直徑為2 mm、掃描速度為10 mm/s的條件下研究激光功率對激光熔化沉積CoCrNi中熵合金組織及性能的影響,其工藝參數如表3所示。

表2 激光熔化沉積試驗參數

表3 激光熔化沉積工藝參數

1.3 顯微組織和力學性能測試

將激光熔化沉積后的試樣用金相切割機切成上表面為10 mm×10 mm的小塊,然后進行鑲嵌。之后對試樣進行打磨、拋光和腐蝕(濃鹽酸與濃硝酸體積比3∶1)。用VHX-5000超景深顯微系統觀察沉積層顯微組織。用HVS-1000A顯微硬度計沿建筑方向測試沉積層的顯微硬度,實驗過程中,每個區域選取5個不同的點進行硬度測試,求取其平均硬度,試驗力為1.96 N,加載時間為15 s。

2 實驗結果與分析

2.1 激光功率對沉積層宏觀形貌的影響

沉積層的宏觀形貌如圖1所示,沉積層表面比較光滑,說明CoCrNi中熵合金與基體結合良好。沉積層橫截面形貌如圖2所示,功率在800～1 200 W區間內,沉積層寬度增加而高度變化不明顯。隨著功率繼續升高,沉積層的寬度逐漸增大,這是因為熱輸入傳遞給基體的同時升高了熔池的溫度,導致了更多的CoCrNi粉末被熔化產生了更大的熔池。當功率為1 600 W時,沉積層寬度明顯大于熔合區域而高度顯著降低,使沉積效率降低。這是因為功率過高,熱輸入變大,單位體積內粉末的能量密度集中,沉積層在堆疊過程中過度重熔使CoCrNi中熵合金熔化量增加,最終滴落在基體上。

圖1 沉積層宏觀形貌

注:(a)800 W;(b)1 200 W;(c)1 400 W;(d) 1 600 W。

2.2 建筑方向沉積層顯微組織

激光功率為1 200 W時沉積層沿建筑方向的顯微組織如圖3所示,沉積層頂部為等軸晶區,中部為大面積的柱狀晶和枝狀晶,底部熔合區為平面晶區還有部分鱗片狀晶粒。在激光熔化沉積過程中,結晶形貌及晶粒尺寸通常受液相溫度梯度GL及凝固速率R的影響,其中,晶體尺寸由GL×R確定,GL×R越小,所得到的晶粒也就越粗大,而晶體的生長形態則由GL/R確定。如圖3中(a)、(c)和(e)所示,平面晶、柱狀晶和等軸晶的晶間距差異不大,說明在凝固過程中GL×R基本相同,而GL/R不同。

結果表明沉積層沿建筑方向的液相溫度梯度GL由下至上逐漸降低。而凝固速率R由下至上逐漸增加,在凝固的最初階段,熔池接近基體不存在成分過冷,溫度梯度最大,凝固速度最慢,CoCrNi中熵合金粉末在此處容易被稀釋,稀釋作用會阻礙晶體生長因而在沉積層底部出現一層薄薄的平面晶。隨熔池與基體的距離越遠,其換熱速度越慢,液相溫度梯度GL也越小,晶粒沿熱源方向生長容易產生柱狀晶和樹枝晶。在沉積層的頂端,伴隨著大氣對流的作用,液相溫度梯度GL達到最小值,凝固速率R陡然增加,形成了一個等軸晶區。

注:(a)和(b)為頂部;(c)和(d)為中部;(e)和(f)為底部。

2.3 激光功率對沉積層顯微組織的影響

不同激光功率下沉積層中部的顯微組織如圖4所示,隨激光功率的增大,組織逐漸粗化。激光功率不同時,沉積層樹枝晶的間距不同,隨著激光功率的增加,枝晶間的距離減小。在1 600 W時,枝晶間距最小,晶粒最多。因為隨著激光功率的增大,熔池的冷卻速率逐漸減小,且冷卻速率影響一次枝晶和二次枝晶的間距。在800～1 600 W的激光功率范圍內,均能穩定地得到柱狀枝晶結構,且一次枝晶粗大,二次枝晶發達。隨著激光功率的增大,一次枝晶和二次枝晶間距顯著減小。從凝固原理可以看出,樹枝間的距離取決于凝固界面的散熱性,散熱性越大,結晶潛熱的影響就越小,從而使樹枝間的距離變得更短。固-液界面的散熱性取決于凝固的冷卻速度,冷卻速度越快,固-液界面的散熱性就越大,因此激光功率越低,越易產生細樹枝狀結構。

注:(a) 800 W;(b) 1 200 W;(c) 1 600 W。

2.4 激光功率對沉積層硬度的影響

不同激光功率下沉積層的顯微硬度如圖5所示,硬度沿沉積層建筑方向逐漸增大。在熔合線附近,由于快速冷卻,會生成一層平面晶(圖3a),使其相比基體具有較高的硬度。在中間柱狀晶區(圖3c),其晶粒度相對較小,使其微觀硬度變大。在大氣對流等因素的作用下,等軸晶區(圖3e)的晶粒度最細小,從而使其微觀硬度進一步提高。

當激光功率為800 W時,沉積層各個區域的硬度都達到最高值,沉積層熔合區、中部和頂部顯微硬度分別為393、435和496 HV。激光功率增大后的試樣,顯微硬度明顯下降,沉積層頂部的顯微硬度從500 HV左右下降到300 HV左右,這與激光功率增大導致的組織粗化有關。激光功率從1 400 W增大到1 600 W時,硬度下降最大,是因為基體熔化量大,基體元素熔化對CoCrNi中熵合金粉末起到一定的稀釋作用,最終導致硬度偏低。

圖5 不同功率的沉積層顯微硬度

3 結 論

采用800～1 600 W的功率激光熔化沉積CoCrNi中熵合金,對其宏觀形貌、顯微組織和硬度進行研究,得出以下結論:

(1)CoCrNi中熵合金沉積層,在激光功率為800～1 600 W時與基體冶金結合良好。

(2)沿建筑方向CoCrNi中熵合金沉積層組織形態轉變為平面晶→枝狀晶→等軸晶;隨著激光功率增大,沉積層組織逐漸粗化。

(3)CoCrNi中熵合金沉積層硬度沿建筑方向逐漸增大,且隨激光功率的增大,沉積層各個區域顯微硬度都有顯著下降。

(4)激光功率為800 W時,硬度最高,沉積層熔合區、中部和頂部顯微硬度分別為393、435和496 HV。