近年來，增材制造(AM)引起了廣泛的關(guān)注，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何零件的近凈成形。作為最流行的AM方法之一，具有超高凝固速率的選區(qū)激光熔化(SLM)能夠抑制中等溫度下出現(xiàn)的有害相的析出。因此SLM往往能夠提高合金元素固溶度，形成過飽和固溶體，產(chǎn)生的胞狀亞晶結(jié)構(gòu)是極其獨(dú)特的，可以強(qiáng)烈地改變機(jī)械性能。不銹鋼(SS)是工業(yè)和日常生活中應(yīng)用廣泛的材料之一。不銹鋼的結(jié)構(gòu)類型多樣，如奧氏體、鐵素體或雙晶，而Cr是決定其整體耐蝕性的關(guān)鍵元素。研究表明腐蝕動(dòng)力學(xué)與溶解在SS基體中的Cr含量成反比，但是Cr的過度合金化不可避免地導(dǎo)致Fe-Cr σ相沿晶界或晶界方向析出，使材料在受力時(shí)不可避免地集中晶間應(yīng)力，材料脆性增加。在SS中Cr含量通常限制在17-22 wt.%。如何解決腐蝕-機(jī)械性能這一問題，一直是科學(xué)和工程領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

中南大學(xué)的研究人員結(jié)合SLM AM技術(shù)和高/中熵合金(H/MEA)的新合金化策略，為制備細(xì)晶Cr過飽和不銹鋼Fe-Cr-Ni三元合金奠定了基礎(chǔ)。采用近等原子原理，F(xiàn)eCrNi MEA的平均Cr含量達(dá)到35 at.%的突破水平。在沒有σ相析出的情況下，SLM成功構(gòu)建了MEA材料，并測試了其力學(xué)性能和耐蝕性。相關(guān)論文以題為“Segregation enabled outstanding combination of mechanical and corrosion properties in a FeCrNi medium entropy alloy manufactured by selective laser melting”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.018

采用高純Ar氣體霧化法制備預(yù)合金FeCrNi MEA粉末，粉末呈球形，直徑為17.9μm，實(shí)際化學(xué)成分為Fe32.39Cr35.12Ni31.58(at.%)。SLM參數(shù)為：激光功率350 W，掃描速度700mm/s，層厚50μm，掃描旋轉(zhuǎn)角度67°，SLM后進(jìn)行400℃×3h去應(yīng)力退火(爐冷)。

研究發(fā)現(xiàn)SLM制備的FeCrNi MEA保持了面心立方單相，不存在其他二次相或雜相。在接近晶界區(qū)域含有豐富的Cr和C元素，高Cr、C含量和Cr/C比表明該碳化物可能為Cr23C6型碳化物，它們數(shù)量少，尺寸僅幾十納米，這種結(jié)構(gòu)的形成可通過BMI和PAS來理解。

圖1 SLM FeCrNi MEA的圖像

圖2 SLM FeCrNi MEA的晶粒形貌

圖3 SLM FeCrNiMEA的APT結(jié)果

圖4 SLM FeCrNi MEA的力學(xué)性能

圖5 SLM FeCrNiMEA的耐腐蝕性能

綜上所述，本文利用SLM技術(shù)成功地制備了面心立方單相FeCrNi MEA，在沒有σ相析出的情況下該MEA具有較高的Cr含量(約35at.%)。由于其獨(dú)特的熔化場和凝固順序，這種SLM MEA呈現(xiàn)出粗柱狀晶粒和亞微米細(xì)胞結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)Cr和間隙C被分離到晶界處。這不僅對晶界有釘扎作用，還能夠進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)滑移，從而增強(qiáng)了MEA，還促進(jìn)材料表面的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，提高了耐腐蝕性能。FeCrNi MEA具有良好的強(qiáng)度(σ0.2=745 MPa，σUTS=1007 MPa)和延性(εf=31%)，以及良好的耐腐蝕性能(icorr=0.06 μA/cm2)。本文突破了常規(guī)方法下Cr的溶解度極限值，為制備Cr過飽和不銹鋼Fe-Cr-Ni三元合金奠定了基礎(chǔ)。