極低温処理されたレーザー積層造形高エントロピー合金の引張特性と異方性の最適化

極低温処理されたレーザー積層造形高エントロピー合金の引張特性と異方性の最適化
出典: マテリアルサイエンスネットワーク

等原子 CrMnFeCoNi 合金はカンター合金とも呼ばれ、77K での優れた構造安定性と機械的特性により極低温構造用途に使用できる可能性のある単相面心立方高エントロピー合金 (HEA) です。しかし、室温では、CrMnFeCoNi の降伏強度は約 215MPa に過ぎませんが、ひずみ硬化が大きく、極限引張強度は約 500MPa です。 HEA の降伏強度を高めるためのいくつかの試みは、強度の増加が延性の急激な低下を伴うため、ささやかな成功しか収めていません。

このような合金の強度と延性のトレードオフを回避するために、転位の増殖を促進し、その動きを妨げる微細構造の調整が構想されてきました。これらの調整戦略には、固溶体マトリックスへのナノ析出物の分散、結晶粒の微細化、ナノ双晶のその場での核生成、および変形前処理によるヘテロ構造の構築が含まれます。これらのアプローチの中で、HEA におけるナノツインのその場核生成は、その場で核生成されたナノツインのコヒーレント境界が変形中に材料にひずみの不均一性を生成しないため、最も効果的な戦略であると考えられています。対照的に、他の調整戦略で形成された非整合粒界および相境界は、熱的および機械的安定性が比較的低くなります。その場で核形成されたナノ双晶は転位滑りに対する効果的な障壁として機能し、塑性変形中にさらなる双晶形成を引き起こし、延性に影響を与えることなく HEA を大幅に強化します。さらに、双晶の核生成により結晶が局所的に再配向され、転位相互作用が強化され、均一な変形が促進され、ひずみの局所化が防止されます。


上記のすべての問題を解決するために、大連交通大学の Lv Yunzhuo 教授のチームは、調製および DCT 処理条件下で LMD によって調製された CrMnFeCoNi の微細構造の進化と機械的挙動を研究しました。結果は、1400 W の中程度のレーザー出力で、DCT 処理後に最良の残留応力分布が達成され、延性を損なうことなく最大限の強度向上が得られることを示しています。関連する研究結果は、「極低温処理されたレーザー付加製造高エントロピー合金の引張特性と異方性の最適化」というタイトルでInternational Journal of Plasticityに掲載されました。

研究者らは、さまざまなレーザー出力を使用して部品を製造し、結果として生じる残留応力の分布を測定しました (図 1 ~ 2)。次に、DCT サイクルが残留応力分布と欠陥密度に与える影響を調査します。さらに、引張試験を実施することにより、ビルドと DCT 処理の両方の条件下でビルド方向とスキャン方向 (BD と SD) に沿ってビルドの機械的特性が評価されました (図 3 ~ 4)。主な結果は次のとおりです。レーザー出力が 1400W と 2300W の場合、部品の残留応力分布勾配は最大かつ最も浅くなります (図 5)。 DCT サイクルの回数が増えると、ビルド上の圧縮応力の重ね合わせにより、両方のビルドの残留応力プロファイルが圧縮応力の強い方向にシフトします (図 6)。同時に、下部と中部の転位密度は大幅に増加しましたが、上部の強化の程度は大幅に低下しました。機械的特性には明らかな異方性があり、両方の建物において、SD に沿った強度と延性は BD に沿ったものよりも大幅に高くなっています。 DCT の SD に沿った最大強度はベース部分よりも 15% 低くなりますが、それでも延性を犠牲にすることなく強度を高めることができる優れたロスレス技術です。このアプローチは、積層欠陥エネルギーが低い合金にも適用できます。

写真

レーザー、合金

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