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技術(shù)文章

激光定向能沉積CrCoNi中熵合金循環(huán)深冷處理后的組織、耐蝕性和磨損性能

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摘要:激光定向能沉積(LDED)加工的零件在反復加熱和冷卻的條件下具有相當大的殘余應力,嚴重限制了工業(yè)應用。在這項工作中,采用循環(huán)深冷處理CDCT)對設計制造的中熵合金MEA進(jìn)行殘余應力和微觀(guān)組織的調整,目的是研究CDCT循環(huán)次數、殘余應力和MEA微觀(guān)結構之間的關(guān)系。本研究為提升LDED形成的中熵合金的應用提供了新的思路


研究方法:1顯示了本工作中使用的CrCoNi MEA樣品的加工設備與方法。MEA粉末的粒徑范圍為45 ~ 105 μm。用于沉積的基材為AISI 1045鋼,尺寸為50mm × 50mm × 15mm。掃描策略涉及相鄰沉積層之間的s形路徑,旋轉角度為180°。圖1d)為LDED制造的CrCoNi樣品。圖1e)為樣品的CDCT工藝示意圖在一個(gè)CDCT循環(huán)中,先在室溫下將建成的樣品浸入液氮中并保存12 h,然后將樣品取出,在室溫水中再浸泡1 h,然后再次浸入液氮。CDCT循環(huán)次數分別為0、10、20、30次,對應的樣本分別記為as-built、CDCT-10、CDCT-20、CDCT-30。

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1. CrCoNi MEA樣品的LDEDCDCT處理工藝。



表1. 樣品制造加工參數。

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結果:2給出了原料粉末、構建樣品和CDCT處理樣品的XRD圖譜。樣品為FCC結構。構建樣品CDCT處理的樣品的衍射峰向右移動(dòng),表明樣品中存在壓縮殘余應力CRS。隨著(zhù)CDCT循環(huán)次數的增加,樣品的111峰不斷向右移動(dòng),說(shuō)明CDCT是提高壓縮殘余應力的有效方法。峰展寬表明晶體缺陷的形成。

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2. XRD衍射結果對比。


納米壓痕試驗用來(lái)量化樣品內部的CRS值,相應的載荷-位移曲線(xiàn)如圖3所示。隨著(zhù)循環(huán)處理次數的增加,納米壓痕深度逐漸減小,材料硬度提高,CDCTCRS逐漸增加。

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3. 不同樣品的殘余應力對比。


4顯示了不同CDCT循環(huán)下樣品的EBSD結果。在CDCT前后,晶粒形態(tài)幾乎保持不變,平均晶粒尺寸變化不顯著(zhù),表明CDCT幾乎沒(méi)有改變樣品的晶粒尺寸。隨著(zhù)CDCT循環(huán)次數的增加,局部取向差增大的。由KAM值計算的幾何必要位錯GND密度也顯示出與KAM圖相似的趨勢。

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4. EBSD結果:(a) as-built,(b) CDCT-10, (c) CDCT-20, (d) CDCT-30。(e)粒度分布。(f)平均粒度, KAMGND密度。


5給出了樣品的極化曲線(xiàn)。樣品都具有典型的鈍化行為,而鈍化電位范圍隨CDCT循環(huán)次數而變化。CDCT- 30顯示出比其他樣品更窄的鈍化電位范圍,表明耐腐蝕能力有限。但樣品的鈍化電流密度,其表明在表面上形成了更具保護性的鈍化膜。

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5. 樣品的電化學(xué)試驗結果。


6出了樣品的腐蝕形貌。在所有樣品中都可以看到蝕坑,證實(shí)了樣品的腐蝕類(lèi)型是點(diǎn)蝕。隨著(zhù)CDCT循環(huán)次數的增加,蝕坑的數量和面積減少,這可能與抑制鈍化膜局部斷裂的高CRS和致密晶體缺陷有關(guān)。增加CDCT循環(huán)次數能夠改善CrCoNi MEA的腐蝕性能。

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6. (a) as-built, ( b) CDCT-10, (c) CDCT-20(d) CDCT-30腐蝕形貌的SEM圖像。


7顯示了樣品的摩擦系數和磨損率。樣品的摩擦系數-時(shí)間曲線(xiàn)包括兩個(gè)階段,即磨合階段和穩定階段。as-built樣品、CDCT-10、CDCT-20CDCT-30的平均摩擦系數分別為0.83、0.74、0.670.64,表明CDCT提高了耐磨性。此外,磨損率隨著(zhù)CDCT循環(huán)次數的增加而降低。

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7. 不同樣品的磨損試驗結果。


8給出了CDCT過(guò)程中殘余應力和微觀(guān)結構變化示意圖在冷卻階段,發(fā)生了明顯的熱收縮,由于晶粒相互約束,收縮受到抑制。當冷卻階段結束時(shí),試樣內部的晶粒內部會(huì )產(chǎn)生較高的拉應力。在保溫階段,位錯和納米孿晶將作為粘塑性變形過(guò)程逐漸產(chǎn)生,并伴隨著(zhù)拉應力的逐漸松弛,保溫結束時(shí),呈現以晶體缺陷和降低拉伸殘余應力為特征的新的平衡狀態(tài)。在復溫階段,樣品的溫度恢復到室溫,然后樣品熱膨脹到初始尺寸,導致樣品內部存在殘余CRS。

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8. CDCT過(guò)程中的微觀(guān)結構和殘余應力的變化。。


結論:在這項工作中,使用CDCT作為后加工方法來(lái)調節LDED制造的CrCoNi MEA的殘余應力和微觀(guān)結構。研究了CDCT循環(huán)次數對LDED材料殘余應力、微觀(guān)組織以及腐蝕和磨損的影響

1CDCT是一種有效的LDED制造CrCoNi MEA的后處理方法。經(jīng)過(guò)30CDCT循環(huán)后,材料內的位錯密度顯著(zhù)增加。

2CDCT引起的晶體缺陷和高CRS導致了致密厚的鈍化膜的形成,從而顯著(zhù)提高了材料的耐腐蝕性,同時(shí)降低摩擦系數和磨損率,有利于耐磨性的提高。

3在保溫階段,致密位錯和納米孿晶的形成伴隨著(zhù)粘塑性變形,使冷卻至低溫時(shí)產(chǎn)生的高拉伸殘余應力得到松弛。當再恢復到室溫時(shí),樣品內部的殘余應力恢復到比低溫處理前更壓縮的值。隨著(zhù)CDCT循環(huán)次數的增加,粘塑性變形會(huì )反復發(fā)生,導致更多的晶體缺陷,從而導致更高的CRS。



相關(guān)工作以Microstructure, corrosion resistance and wear properties of laser directed energy deposited CrCoNi medium-entropy alloy after cyclic deep cryogenic treatment"為題發(fā)表在Virtual and Physical Prototyping期刊上,論文第一作者為Wenjie Zhao,通訊作者為Zhiliang NingYongjiang Huang。



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