【摘要】：CrMnFeCoNi因其出色的低溫力學(xué)性能,成為目前最為矚目的結(jié)構(gòu)材料之一,但目前對(duì)其組織和力學(xué)性能的研究多集中在通過(guò)電弧熔煉和熔模鑄造得到的塊體材料上,采用激光增材制造技術(shù)制備CrMnFeCoNi高熵合金可以拓寬其研究領(lǐng)域,推動(dòng)其應(yīng)用發(fā)展。本文采用IPG YLS-10000高功率光纖激光增材制造系統(tǒng),通過(guò)同步送粉工藝在Q235鋼基體上制備了成型良好的CrMnFeCoNi高熵合金沉積層,并對(duì)其制備工藝,組織與成分以及力學(xué)性能開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。激光增材制造的工藝參數(shù)對(duì)沉積層成形及缺陷有重要影響,通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù),可改善成形,消除裂紋,抑制氣孔。使用球磨混合粉制備的沉積層成分分布不均,且由于錳的高活性和低熔點(diǎn)導(dǎo)致沉積層中的錳含量遠(yuǎn)低于理論值;而鋪粉工藝制備的沉積層由于粉層受熱不均的原因難以完全消除氣孔。為避免缺陷與成分偏析,提高制備效率,最終將使用合金粉的同步送粉激光增材制造工藝定為CrMnFeCoNi沉積層的制備手段,并確定了激光功率1600~1800W,激光掃描速度2mm/s,搭接率35%,送粉速度10g/min為最佳工藝參數(shù)。對(duì)沉積層的微觀組織結(jié)構(gòu)與成分進(jìn)行觀察和分析,結(jié)果表明:沉積層元素分布較均勻,五種元素基本保持了等原子比,形成了FCC單相固溶體。但在枝晶內(nèi)部和枝晶間存在細(xì)微的元素差異,Mn、Ni在樹(shù)枝晶間偏析。沉積層從底部到頂部呈現(xiàn)平面晶、胞狀和柱狀樹(shù)枝晶、等軸樹(shù)枝晶等多種形貌,其中柱狀樹(shù)枝晶占據(jù)了沉積層內(nèi)的大部分區(qū)域,該區(qū)域在凝固過(guò)程中的冷卻速度大約為1000~1500℃/s。力學(xué)性能的表征結(jié)果顯示沉積層的硬度分布較為均勻,硬度由表面至底部緩慢遞減,約為180~200 HV_(0.5),工藝參數(shù)對(duì)于硬度的影響較小,不同工藝條件下沉積層硬度值非常接近。沉積層的拉伸性能有較強(qiáng)的溫度依賴性。當(dāng)溫度從298 K降至77 K時(shí),沉積層的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提升了60%和65%,達(dá)到了564 MPa和891 MPa,延伸率從26%提升到了36%。室溫和低溫下,沉積層斷口均可觀察到細(xì)小密布的韌窩結(jié)構(gòu),為典型的韌性斷裂。得益于激光增材制造過(guò)程中的快速冷卻,沉積層有高達(dá)10~(10) cm~(-2)量級(jí)的初始位錯(cuò)密度,這大大提高了沉積層的屈服強(qiáng)度,位錯(cuò)密度在形變過(guò)程中不斷增大,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是低溫下主要的變形機(jī)制,而形變孿晶在大應(yīng)變條件下是一種額外的變形機(jī)制,二者的共同作用使得CrMnFeCoNi沉積層具有出色的低溫強(qiáng)度和塑性。沉積層無(wú)韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,其常溫和低溫沖擊韌性基本相同,大約為100 J·cm~(-2)。沉積層磨損機(jī)制為顯微切削,在載荷50 N,轉(zhuǎn)速200 r/min的條件下,摩擦系數(shù)大約為0.4。
【圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文全背離了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，第一次把研究的目光放在了更為區(qū)域，為合金的設(shè)計(jì)打開(kāi)了一扇全新的大門(mén)。如圖 1-1 所的數(shù)量隨著主要元素的數(shù)量的增加呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，當(dāng)主元數(shù)量 N 就已經(jīng)達(dá)到了 106的量級(jí)，若是把元素周期表中的圍，那么可研究的合金體系的數(shù)量將是一個(gè)天文數(shù)字！

合可生成穩(wěn)定的高熵合金。若生成焓過(guò)低，則該化合物過(guò)于穩(wěn)定，，容易以沉淀相析出；若生成焓過(guò)高，則表明指定元素間的相容性過(guò)差。圖 1-2 給出了 30 種種常見(jiàn)金屬元素的兩元化合物生成焓矩陣，以本文的研究對(duì)象 CrMnFeCoNi 高熵合金為例（圖 1-2 矩形框內(nèi)所示），這五種金屬元素兩兩之間的二元化合物生成焓均落在指定范圍內(nèi)，故該高熵合金穩(wěn)定性極好，可生成單相固溶體。該模型的提出為高熵合金的體系設(shè)計(jì)和理論研究指明了方向，大大縮短了實(shí)驗(yàn)和模擬的所需時(shí)間。表 1-1 二元化合物生成焓在指定范圍內(nèi)的五元、六元、七元合金的數(shù)量Table 1-1 Five-, six-, and seven-component alloys for which the enthalpy of formation of the binarycompounds are 138 <ΔHf< 37 meV/atom (range 1, applied at T=1000K) and 232 <ΔHf<37 meV/atom (range 2, applied at T=1673K)[50]Five components Six components Seven componentsAll 1.69911 × 1057.36281 ×1052.62958 ×106Range 1 179 69 0Range 2 269 93 17
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG665;TG139

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 林鑫;黃衛(wèi)東;;應(yīng)用于航空領(lǐng)域的金屬高性能增材制造技術(shù)[J];中國(guó)材料進(jìn)展;2015年09期

2 謝紅波;劉貴仲;郭景杰;;Mn、V、Mo、Ti、Zr元素對(duì)AlFeCrCoCu-X高熵合金組織與高溫氧化性能的影響[J];中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào);2015年01期

3 王向明;蘇亞?wèn)|;吳斌;;增材技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制中的應(yīng)用[J];航空制造技術(shù);2014年22期

4 趙志國(guó);柏林;李黎;黃建云;;激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J];航空制造技術(shù);2014年19期

5 王華明;;高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問(wèn)題[J];航空學(xué)報(bào);2014年10期

6 劉業(yè)勝;韓品連;胡壽豐;柴象海;曹源;;金屬材料激光增材制造技術(shù)及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J];航空制造技術(shù);2014年10期

7 李懷學(xué);鞏水利;孫帆;黃柏穎;;金屬零件激光增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J];航空制造技術(shù);2012年20期

8 鄧鑫;;大型預(yù)應(yīng)力LNG全容罐用低溫材料與力學(xué)性能的研究進(jìn)展[J];化工機(jī)械;2012年04期

9 王建;;焊縫結(jié)晶裂紋的危害及控制措施[J];鑄造技術(shù);2011年11期

10 張勇;周云軍;陳國(guó)良;;快速發(fā)展中的高熵溶體合金[J];物理;2008年08期

本文編號(hào)：2668172