ハルビン工業大学（威海）の宋暁国教授のチーム：レーザー積層造形により、高温でも高強度、高延性、高エントロピーの合金を実現

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

最近、ハルビン工業大学威海キャンパス材料科学工学学院の宋暁国教授率いる研究チームは、レーザー付加製造法を用いて、高温で高強度、高可塑性、高エントロピーの合金の製造を実現しました。研究結果は、「高温での強度と延性の相乗効果を実現する、積層造形法で製造された FeCoCrNiMox 高エントロピー合金のマルチスケール塑性変形」というタイトルで、トップレベルの力学ジャーナル「International Journal of Plasticity」に掲載されました。林丹陽准教授がこの論文の第一著者であり、宋暁国教授がこの論文の責任著者である。

従来の合金と比較して、優れた性能を持つ高エントロピー合金 (HEA) は、耐熱性および高強度合金の代替材料として近年航空宇宙産業で好まれています。しかし、レーザー積層造形で最も一般的に使用される FeCoCrNi 高エントロピー合金は単相 FCC 構造であり、析出強化が不足しているため強度が低くなります。得られた析出強化型高エントロピー合金は、変形時に強化相とマトリックス間の協調変形能力が乏しく、強度と塑性の良好な両立性を達成することが困難です。 FeCoCrNi高エントロピー合金にMo元素を添加すると、マトリックスの強度と可塑性を変えることができ、σ相をその場で形成することでマトリックスの強度を向上させ、マトリックスと良好な半整合関係を形成し、高エントロピー合金の機械的性質を効果的に向上させることができます。

この研究では、FCC FeCoCrNiMox HEA の室温および高温での加工、微細構造、機械的特性の関係を実証することに成功しました。実験観察やモデリングシミュレーションを含むマルチスケール研究により、Mo ドープ HEA の変形メカニズムの理解が進みました。この理解は、積層欠陥、双晶、析出物、転位セルなどの主要な微細構造特性に基づいており、LPBF を使用してさまざまな強化メカニズムの連続的な活性化を制御する実現可能性を検証しています。 SEM、TEM、EBSD などの従来の方法では、高温での微細構造や双晶形成プロセスを捉えることはできません。しかし、私たちは第一原理計算と分子動力学シミュレーションを通じてこのプロセスを明らかにしました。実験観察とシミュレーションを組み合わせることで、HEA合金の塑性変形メカニズムを徹底的に解析しました。このアプローチは、新しい材料の開発に貴重な洞察をもたらします。この研究は、相乗的な高温機械的特性の実現における構造 HEA に関する貴重な洞察を提供し、科学と工学におけるその重要性と有用性を実証しています。

LPBF で処理された FeCoCrNiMox サンプルは、明確な転位セルを持つほぼ欠陥のないマトリックスを示します。 Mo含有量の増加に伴い、σ相の析出が増加し、転位セル壁が鋭くなります。第一原理、分子動力学 (MD) シミュレーション、TEM 観察を組み合わせると、FeCoCrNiMox HEA の積層欠陥エネルギー (SFE) は Mo 含有量の増加とともに減少し、高温では増加することがわかります。したがって、すべてのサンプルは室温で双晶形成の影響を受けやすくなります。しかし、600 °C では、SFE の増加により、Mo3 サンプルでのみ双晶形成が観察されました。

FeCoCrNi マトリックスに Mo を添加すると、固溶強化と析出強化の両方が促進されます。 LPBF の汎用性と急速冷却特性を活かし、適切な量の Mo を導入することで精密な微細構造制御を実現できます。これにより、転位強化、固溶強化、析出強化、不均質変形誘起強化、双晶形成など、複数の強化メカニズムが同時または順次制御されます。したがって、FeCoCrNiMox HEA (x = 0.3-0.5) は室温での成形性が向上し、高温では強度と延性の相乗効果が向上します。

近年、宋暁国教授のチームは、積層造形用の高性能合金材料の開発、調製、性能評価に関する研究に深く携わり、一連の独創的な研究成果を達成し、積層造形用の高性能合金の応用促進に重要な貢献をしてきました。

図1 FeCoCrNiMox HEAの機械的性質図2 FeCoCrNiMox HEAの微細組織特性図3 FeCoCrNiMox HEAの室温変形微細組織特性図4 FeCoCrNiMox HEAの高温変形微細組織特性図5 FeCoCrNiMox HEAの凝固挙動の熱力学計算図6 FeCoCrNiMox HEAの積層欠陥エネルギーの計算図7 FeCoCrNiMox HEAの分子動力学シミュレーション

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