专栏名称: 材料学网

材料界最具影响力的资源共享平台！发布基础知识、新闻资讯、科技服务、数值模拟、考研考博、论文写作、招聘信息、先进设备及产业应用等，服务于中国高校、企业及科研院所的发展，以及相应科研成果的推广、转让和咨询

香港大学黄明欣教授团队塑性顶刊：3D打印高密度共格纳米颗粒增强复合成分合金

材料学网 · 公众号 · · 2024-06-10 23:20

正文

导读 : 金属 3D 打印可以快速制造网状部件，用于广泛的工程应用，但它限制了大多数机械加工方法用于强化合金的使用，例如锻造，轧制等。在此，我们提出了一种新的策略来提高 3D 打印复杂成分合金的强度而不失去延展性。这种策略依赖于 3D 打印的快速冷却，以达到超越传统铸造的过饱和状态。然后，利用时效的 spinodal 分解，引入高密度相干纳米颗粒进行强化。在 3D 打印的铜基复合浓缩合金中验证了所提出的策略。印刷过程中的快速凝固强烈地抑制了元素的扩散，导致高过饱和状态。通过简单时效处理，将具有共格界面、尺寸为 ~7 nm 的高密度纳米颗粒引入到 3D 打印样品中。时效后， 3D 打印合金的强度提高了 30% ，且无延性损失，强度 - 延性组合优于其他 Cu 合金。该策略很容易适用于其他通过 3D 打印制造的 spinodal 合金，以避免强度 - 延性权衡的困境。

3D 打印可以快速制造几何复杂的部件，用于广泛的工程应用。然而，它限制了许多现有强化合金策略的使用，特别是那些基于机械加工的策略，如锻造、轧制等。由于位错和纳米沉淀物的相互作用，纳米沉淀物可以有效地提高合金的强度，这是多年来人们所知道的，例如高熵合金和钢材。此外，沉淀很容易在 3D 打印合金中实现。然而，析出相与周围基体之间的力学非均质性通常会在其界面处 引起应力 - 应变集中，引发微裂纹形核，从而导致延性损失 。为了克服析出强化合金的强度 - 延性权衡困境，可以通过合金设计和热处理引入与周围基体晶格几乎相同的共格析出相。

通过 spinodal 分解进行相分离是一种经典的材料现象，可以在许多工程合金中产生相干颗粒。一般来说，通过常规铸造和热机械加工来控制 spinodal 分解。然而，这种 传统的方法很难生产出高密度的纳米颗粒来最大化强度和延展性 。在冷却速率相对较低的铸造过程中，枝晶之间和枝晶之间的元素偏析是不可避免的。对于 CCA 来说，这种偏析很难通过均质热处理消除，导致其失去了通过后续时效生产高密度纳米颗粒所需的过饱和状态。金属 3D 打印允许在通常高于 1000 K s 的冷却速率下快速凝固。在这种条件下，元素的扩散被强烈抑制甚至完全抑制，这是通过 spinodal 分解产生高密度纳米颗粒的理想过饱和状态 。从工程应用的角度来看，增材制造也为工业规模的应用和几何复杂零件的制造提供了机会。

在此， 香港大学黄明欣团队 提出了一种新的策略来提高 3D 打印复杂浓缩合金的强度而不失去延展性。这种策略依赖于 3D 打印的快速冷却，以达到超越传统铸造的过饱和状态。利用时效的 Spinodal 分解， 引入高密度相干纳米颗粒进行强化 。所提出的策略在化学成分为 Cr ₇ Mn ₂₅ Co ₉ Ni ₂₃ Cu ₃₆ (at.%) 的 cu 基 CCA 中得到了验证。通过老化 spinodal 分解将高密度相干纳米颗粒 (HDCNs) 引入到 3D 打印样品中。将 3D 打印样品的显微组织和力学性能与原位和时效条件下的铸造样品进行了比较。深入讨论了 HDCNs 增强而不损失延性的机理。

by 3D printed high-density coherent nanoparticles ” 发表在 International Journal of Plasticity 上

链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641924001141?via%3Dihub

图 1 铸态 CCA 的显微组织 :(a) 显微形貌 ;

(b) 二次电子 (SE) 图像和相应的元素分布图，显示富 CoCr 枝晶和富 Cu 枝晶间。

在铸态下， CCA 呈现出粗大的枝晶结构，枝晶和枝晶间分别富含 CoCr 和 Cu( 图 1) 。这种粗大的枝晶结构通常是在相对较低的冷却速率 (~10 K s ^-1 ) 下铸造形成的。根据之前的热力学计算，富 CoCr 相是在 ~ 973-1323 K 温度范围内形成的面心立方 (FCC) 相，富 Cu 相是在低于液相线温度下形成的另一 FCC 相。

图 2 铸态 CCA 微观结构 :STEM 亮场图像及相应的富 cu 枝晶元素分布图，显示亚微米大小的针状富 CoCr 颗粒。插图中的衍射图案是从 STEM 图像中显示的整个区域获得的。

图 3 铸态 CCA 在 1323 K 下均匀化 24 h 后的显微组织 :SE 图像和相应的元素分布图，表明均匀化后存在富含 CoCr 的枝晶。

表 1 二元等原子合金的混合焓

图 4 打印 CCA 的微观结构 :

(a) 通过 BSE 图像重建的立体微观结构，显示了熔池内部 ( 浅色对比 ) 和边界 ( 深色对比 ) 、激光扫描轨迹 ( 蓝色箭头 ) 和建筑方向 (BD) ，

(b) SE 图像和相应的元素分布图，表明熔池内部和边界分别富集 Cu 和 CoCr 。

图 5 打印的 CCA: STEM 高角环形暗场 (HAADF) 图像及其对应的熔池内部元素分布图的微观结构表明，在老化之前没有富含 CoCr 的纳米颗粒。

表 2 铸造和印刷 CCA 不同区域的元素含量 ( 百分比 ) 。

图 6 打印和时效后的 CCA 微观结构 :(a) 侧面截面 EBSD IPF 显示熔池内部和边界的晶粒结构 ;

(b) 从熔池内部获得的 STEM 亮场图像和 (c) 相应的元素分布图 ;

(b) 插图中的衍射图样是从 (b) 所示的整个区域获得的。

通过在 873 K 下时效 40 min ，然后水淬，将 HDCNs 引入 CCA 。图 6 为经过 3D 打印和时效处理后的 CCA 三级层次化微观结构。在顶部，样品由 ~40 μ m 大小的熔池组成 ( 图 6a) 。在中间水平，熔池边界的富 cocr 相由超细晶粒组成。在 3D 打印过程中，池内部也有 ~400 nm 的超细颗粒，可以沿温度梯度等轴或伸长 ( 图 6a) 。