V primerjavi s tradicionalno visokoentropijsko zlitino CrMnFeCoNi je 3D-natisnjena zlitina FeCoCrNiMn z visoko entropijo, ki vsebuje ogljik, pokazala odlično odpornost proti lezenju pri visokih temperaturah (tj. hitrost lezenja in prag napetosti sta zmanjšana). Univerza Inha in Korejski inštitut za znanost o materialih sta prvič proučevala obnašanje visokotemperaturnega lezenja visokoentropijskih zlitin z lasersko prašno fuzijo (LPBF), ki vsebujejo ogljik, in pojasnila vpliv karbidov v nanometrskem merilu na odpornost proti lezenju.
Prašek CrMnFeCoNi HEA (v nadaljnjem besedilu C-HEA), ki vsebuje ogljik, je vseboval 1,5 at% C in povprečno velikost delcev 23,7 μm. Hitrost skeniranja laserske plastične fuzije (LPBF) je 600 mm/s, moč je 90 W, razdalja skeniranja je 0,08 mm, debelina plasti pa 0,025 mm. Za stabilizacijo podzrn in oblikovanje dodatnih delcev karbida v nanometru so bili vzorci toplotno obdelani pri 650 stopinjah eno uro.
Preskus lezenja pri visoki temperaturi LPBF C-HEA je bil izveden pod konstantno obremenitvijo 175–325 MPa pri temperaturi 873 K (temperaturna stabilnost 0.2 K je bila ohranjena med preskusom lezenja, kot prikazano na sliki 1), in preskus lezenja vzorca. Interval je 86,4 K. Da bi stabilizirali deformacijo lezenja, je potrebno lezenje preskus 259,2 ks je bil izveden pri 150 MPa, čemur je sledil večstopenjski preskus lezenja.
Slika 2 prikazuje spekter SEM–EDS in rezultate analize EBSD za LPBF C–HEA. Ugotovljeno je bilo, da so sestavni elementi v LPBF C–HEA enakomerno porazdeljeni tudi po toplotni obdelavi, kar nakazuje, da LPBF in kasnejša toplotna obdelava ne vplivata na enotnost sestave HEA v mikronskem merilu. Slika 2b prikazuje zemljevid EBSD inverzne pol figure (IPF). pri majhni povečavi in razkrije, da ima zlitina večplastno in neenakomerno strukturo zrn. Po toplotni obdelavi je povprečna velikost zrn (AGS) se ni bistveno spremenil in je bil podoben tistemu pri izdelanem C–HEA. Opomba, da rezultati EBSD in vzorci XRD na sliki 2b potrjujejo, da ima trenutna zlitina eno fazo FCC, zemljevid IPF z veliko povečavo jasno prikazuje močno nazobčane meje zrn (GB), ki bistveno izboljšajo visokotemperaturno lezenje z zaviranjem drsenja GB (slika 2C 1). Geometrično potrebne dislokacije (GND) tvorijo nizkokotne meje zrn (LAGB) znotraj zrn (slika 2C), zlitina pa po toplotni obdelavi pri 650 stopinjah še vedno kaže izjemno visoko gostoto GND.
Tvorbo nazobčanih meja zrn opazimo predvsem v delcih druge faze, ki jih vsebujejo kovinski materiali, kot so superzlitine na osnovi niklja in magnezijeve zlitine. Tvorba nazobčanih GB zaradi učinka zapenjanja delcev druge faze med rastjo zrn je dobro dokumentirana Z drugimi besedami, toplotna obdelava povzroči rast zrn, delci druge faze pa zavirajo rast zrn na lokaliziranih območjih, kar povzroči cikcak videz GB. Vendar obdelava s staranjem, uporabljena v tej študiji, ni povzročila nobene rasti zrn, kar nakazuje, da so zelo nazobčane meje zrn v tej zlitini posledica stopenj taljenja in strjevanja LPBF. V nedavnem poročilu je 3D natisnjena kovinska materiali z in situ padavinami so prav tako pokazali nazobčane GB. Upoštevajte, da je bil zelo nazobčan GB viden v vgrajenem C-HEA. To nakazuje, da je učinek zapenjanja posledica visoke gostote in situ karbidov na mejah zrn med ciklično toplotno obdelavo, kar ima za posledico zelo nazobčane meje zrn.
Slika 3a je slika ECC LPBF C–HEA, ki prikazuje obstoj podstruktur, ki jih povzroča dislokacijska mreža. Izmerjena povprečna širina teh podstruktur je 534,2 ± 16,3 nm. Prejšnje študije so pokazale, da je podstruktura stabilizirana z dodatno oblikovanim karbidom v nanometrskem merilu izloča z delno preurejenimi dislokacijami. Slika 3b prikazuje, da obstaja velika število nepravilno oblikovanih karbidov nano velikosti (bele puščice) na mejah podkonstrukcije. Pridobljene so bile slike HAADF STEM in ustrezni zemljevidi EELS za nadaljnje razumevanje kemijske heterogenosti znotraj karbidov, kot je prikazano na sliki 3c. Nanokarbidi so v glavnem sestavljeni iz Cr in C, kar kaže, da so ti karbidi bogati s Cr.
Kot je prikazano na sliki 4, so v podporo tem ugotovitvam termodinamično izračunani ravnotežni fazni diagrami za kemijsko sestavo LPBF C–HEA z uporabo programske opreme Thermo–Calc in nadgrajene različice baze podatkov TCFE2000. Fazni diagram kaže, da karbidi tipa M23C6 se v glavnem tvorijo v temperaturnem območju 500–1000 stopinj, kar kaže, da Faza Cr23C6 je glavna komponenta LPBF C–HEA. Po drugi strani pa v literaturi karbidi Cr23C6 CoCrFeMnNi HEA obstajajo v velikosti nekaj mikronov, vsebnost ogljika pa je 1.3-1.8 at %. Nasprotno pa zlitina vsebuje karbide nano velikosti tudi po toplotni obdelavi, kar nakazuje, da metastabilna podstruktura z visoko gostoto dislokacij nadzoruje tvorba nano velikih karbidov z enakomerno porazdelitvijo. Medtem so bili na zemljevidih EELS opaženi tudi oksidi, bogati z manganom, in poročali so, da so sestavljeni iz MnO v LPBF C–HEA. Vendar pa je učinek krepitve faze MnO majhen glede na Cr23C6; zato so karbidi v tej študiji glavni dejavniki, ki prispevajo k trdnosti.
Slika 5a prikazuje večnivojske krivulje lezenja LPBF O–HEA, LPBF C–HEA in LPBF CrMnFeCoNi, ojačenih z nanooksidi. V vseh območjih napetosti lezenja je LPBF C–HEA pokazal manjšo deformacijo lezenja (tj. višjo odpornost proti lezenju) kot referenčna materiala (LPBF CrMnFeCoNi in LPBF O–HEA). Poleg tega je v primerjavi z rezultati lezenja LPBF CoCrFeMnNi LPBF C–HEA je pokazala najnižjo minimalno stopnjo lezenja pri vseh napetostih lezenja Zlasti pri uporabljeni obremenitvi 225 MPa je najmanjša stopnja lezenja LPBF C–HEA približno dva reda velikosti nižja kot pri konvencionalno obdelanih zlitinah. To pomeni, da toplotna obdelava ne le močno izboljša mehanske lastnosti pri sobni temperaturi. lastnosti, ampak tudi izboljša odpornost proti lezenju pri visokih temperaturah v aditivno izdelanem HEA, ki vsebuje prenasičen ogljik, ki ga povzroči hitro strjevanje. Črne pike za enostopenjsko lezenje na sliki 5b kažejo na dobro zanesljivost in ponovljivost večstopenjskega preskusa lezenja.
Kot je prikazano na sliki 6, je bilo deformacijsko obnašanje LPBF C-HEA pri lezenju pri visokih temperaturah raziskano s preučevanjem obsežne mikrostrukture z uporabo zemljevida porazdelitve GND in zemljevida IPF. Prejšnja študija obnašanja lezenja ekviatomskih CrMnFeCoNi HEA je pokazala, znatno povečanje napetosti med lezenjem pri 873 K, še posebej, če je bila uporabljena velika količina napetosti, kar kaže na mikrostrukturne Vendar graf IPF na sliki 6 kaže, da ni prišlo do mikrostrukturnega razvoja v vzorcu lezenja z deformacijo lezenja 7 %, tudi pri uporabljeni obremenitvi 325 MPa. Poleg tega, kot je prikazano na sliki 7a, podkonstrukcije, ki niso opažene pri Ugotovljeno je bilo, da se zemljevid EBSD začetnega vzorca pojavlja v mikrostrukturi lezenja. To kaže, da edinstvena začetna mikrostruktura zavira gibanje dislokacij in razvoj mikrostrukture ter vodi do odlične odpornosti proti lezenju LPBF C-HEA. Kot kažejo črne puščice na sliki 6, so bila v nekaterih opažena ultrafina zrna z velikostjo ~2 μm. regijah, o katerih bo govora kasneje.
Kot je prikazano na sliki 7a, zemljevid visoke ločljivosti IPF vzorca lezenja. Močno nazobčani GB, opaženi v mikrostrukturi lezenja, kažejo, da nanometrski karbidi povzročajo močno nazobčanost GB med deformacijo lezenja. V mnogih primerih kovinskih materialov na osnovi FCC nazobčani GB ovirajo zrnatost mejnega drsenja, s čimer se izboljša odpornost proti lezenju pri visokih temperaturah. Poročali so, da je povečana odpornost proti lezenju povezana z nižjo stopnje kavitacije in širjenje razpok skozi nazobčanja GB. Pri avstenitnih nerjavnih jeklih je mehanizem nastajanja nazobčanih mej zrn običajno povezan z interakcijo med mejami zrn in izločki karbida: 1) migracija mej zrn med zatičenimi zrni in 2) vpliv rasti karbida. LPBF C–HEA ni pokazal nobene rasti karbidov po deformaciji zaradi lezenja (sl. 7c–d). Zato lahko sklepamo, da je nastanek nazobčanih meja zrn mogoče pripisati migraciji mej zrn med pritrjenimi delci.
Profil GND na sliki 7b prikazuje podzrna v vzorcu lezenja. Čeprav slika ECC (sl. 3a) kaže, da ima začetni vzorec podstrukture, okrašene z dislokacijskimi mrežami, z opazovanjem EBSD podstrukture niso razločljive. Nasprotno pa so vzorci lezenja jasno vsebovali podzrna z visoko gostoto GND, kar kaže, da so se dislokacije kopičile na meje podkonstrukcije kot tudi meje zrn med lezenjem pri visoki temperaturi. To dokazuje, da meje podkonstrukcije lahko uspešno blokira gibanje dislokacij tudi pri visokotemperaturni deformaciji zaradi lezenja. Slike ECC z veliko povečavo podpirajo visoko nakopičene dislokacije na mejah podzrn (slika 7c). Tukaj je mehanizem mrežnega zapenjanja in dislokacijskih stičišč HEA razložen s skupnim učinkom gozdnih dislokacij in strjevanja koncentrirane raztopine. Vendar pa sedanja zlitina kaže podzrna z visoko gostoto GND po deformaciji pri lezenju, kar kaže na mehanizem lezenja LPBF Nanokompoziti HEA so nekoliko drugačni od nanokompozitov deformiranih HEA. Nato je bil ECCI uporabljen za pregled rekristaliziranih ultrafinih zrn v vzorcih lezenja (slika 7d), ki imajo nizko gostoto notranjih dislokacij in so omejeni s karbidi. Za kovinske materiale je gonilna sila za rekristalizacijo postopoma narašča z naraščajočo temperaturo. Vendar glede na to, da LPBF C–HEA ustvarja veliko količino padavin, kar vodi do Zennerjevega tlaka zapenjanja, je rekristalizacija potlačena tudi pri visoki temperaturi. Zato LPBF C–HEA ni bil podvržen nikakršni mikrostrukturni evoluciji, kot sta okrevanje in rekristalizacija, pod deformacija pri visokotemperaturnem lezenju po uporabi napetosti 325 MPa. Čeprav so bila v nekaterih regijah opažena rekristalizirana ultrafina zrna, so bila omejena z nanometrskimi karbidi, ki so preprečili nadaljnjo rast zrn. Skrbno preučevanje strukture deformacije pri lezenju z ECCI in EBSD je vodilo do zaključka, da so stabilna podzrna z dislokacijsko mrežo in karbidi nano velikosti zavirajo okrevanje in rekristalizacijo med deformacijo zaradi lezenja, hkrati pa dodatno krepijo podstrukturo, ki jo povzroča dislokacijska mreža.
Povzetek:
Postopek aditivnega izdelave in kasnejša toplotna obdelava CrMnFeCoNi HEA, ki vsebuje ogljik, vodita do tvorbe ne le heterostrukturnih zrn s podstrukturami, okrašenimi z dislokacijskimi mrežami, temveč tudi do enakomerno porazdeljenih karbidov na mejah zrn in podzrn.
Visokotemperaturna odpornost proti lezenju LPBF C-HEA je boljša kot pri prijavljenih visokoentropijskih zlitinah CrMnFeCoNi. Hitrost lezenja C-HEA je dva reda velikosti manjša kot pri konvencionalno obdelanem HEA.
Mikrostrukturno opazovanje potrjuje, da stabilna podzrna povzročijo nastanek izjemno nazobčanih meja zrn, ki dodatno okrepijo podzrna in zavirajo rekristalizacijo med visokotemperaturnim lezenjem, kar ima za posledico odličen spol odpornosti proti lezenju.
Ključne besede: aditivne raziskave, aditivna proizvodnja kovin, materiali Mana, 3D-tiskanje kovin
