激光定向能沉积CrCoNi中熵合金循环深冷处理后的组织、耐蚀性和磨损性能

摘要：激光定向能沉积(LDED)加工的零件在反复加热和冷却的条件下具有相当大的残余应力，严重限制了工业应用。在这项工作中，采用循环深冷处理（CDCT）对设计制造的中熵合金（MEA）进行残余应力和微观组织的调整，目的是研究CDCT循环次数、残余应力和MEA微观结构之间的关系。本研究为提升LDED形成的中熵合金的应用提供了新的思路

研究方法：图1显示了本工作中使用的CrCoNi MEA样品的加工设备与方法。MEA粉末的粒径范围为45 ~ 105 μm。用于沉积的基材为AISI 1045钢，尺寸为50mm × 50mm × 15mm。扫描策略涉及相邻沉积层之间的s形路径，旋转角度为180°。图1（d）为LDED制造的CrCoNi样品。图1（e）为样品的CDCT工艺示意图：在一个CDCT循环中，先在室温下将建成的样品浸入液氮中并保存12 h，然后将样品取出，在室温水中再浸泡1 h，然后再次浸入液氮。CDCT循环次数分别为0、10、20、30次，对应的样本分别记为as-built、CDCT-10、CDCT-20、CDCT-30。

图1. CrCoNi MEA样品的LDED和CDCT处理工艺。

表1. 样品制造加工参数。

结果：图2给出了原料粉末、构建样品和CDCT处理样品的XRD图谱。样品为FCC结构。构建样品和CDCT处理的样品的衍射峰向右移动，表明样品中存在压缩残余应力（CRS）。随着CDCT循环次数的增加，样品的（111）峰不断向右移动，说明CDCT是提高压缩残余应力的有效方法。峰的展宽表明晶体有缺陷的形成。

图2. XRD衍射结果对比。

纳米压痕试验用来量化样品内部的CRS值，相应的载荷-位移曲线如图3所示。随着循环处理次数的增加，纳米压痕深度逐渐减小，材料硬度提高，CDCT后CRS逐渐增加。

图3. 不同样品的残余应力对比。

图4显示了不同CDCT循环下样品的EBSD结果。在CDCT前后，晶粒形态几乎保持不变，平均晶粒尺寸变化不显著，表明CDCT几乎没有改变样品的晶粒尺寸。随着CDCT循环次数的增加，局部取向差增大的。由KAM值计算的几何必要位错（GND）密度也显示出与KAM图相似的趋势。

图4. EBSD结果：(a) as-built，(b) CDCT-10， (c) CDCT-20， (d) CDCT-30。(e)晶粒度分布。(f)平均粒度， KAM和GND密度。

图5给出了样品的极化曲线。样品都具有典型的钝化行为，而钝化电位范围随CDCT循环次数而变化。CDCT- 30显示出比其他样品更窄的钝化电位范围，表明耐腐蚀能力有限。但样品的钝化电流密度，其表明在表面上形成了更具保护性的钝化膜。

图5. 样品的电化学试验结果。

图6给出了样品的腐蚀形貌。在所有样品中都可以看到蚀坑，证实了样品的腐蚀类型是点蚀。随着CDCT循环次数的增加，蚀坑的数量和面积减少，这可能与抑制钝化膜局部断裂的高CRS和致密晶体缺陷有关。增加CDCT循环次数能够改善CrCoNi MEA的腐蚀性能。

图6. (a) as-built, ( b) CDCT-10, (c) CDCT-20和(d) CDCT-30腐蚀形貌的SEM图像。

图7显示了样品的摩擦系数和磨损率。样品的摩擦系数-时间曲线包括两个阶段，即磨合阶段和稳定阶段。as-built样品、CDCT-10、CDCT-20和CDCT-30的平均摩擦系数分别为0.83、0.74、0.67和0.64，表明CDCT提高了耐磨性。此外，磨损率也随着CDCT循环次数的增加而降低。

图7. 不同样品的磨损试验结果。

图8给出了CDCT过程中残余应力和微观结构变化示意图：在冷却阶段，发生了明显的热收缩，由于晶粒相互约束，收缩受到抑制。当冷却阶段结束时，试样内部的晶粒内部会产生较高的拉应力。在保温阶段，位错和纳米孪晶将作为粘塑性变形过程逐渐产生，并伴随着拉应力的逐渐松弛，保温结束时，呈现以晶体缺陷和降低拉伸残余应力为特征的新的平衡状态。在复温阶段，样品的温度恢复到室温，然后样品热膨胀到初始尺寸，导致样品内部存在残余CRS。

图8. 在CDCT过程中的微观结构和残余应力的变化。。

结论：在这项工作中，使用CDCT作为后加工方法来调节LDED制造的CrCoNi MEA的残余应力和微观结构。研究了CDCT循环次数对LDED材料残余应力、微观组织以及腐蚀和磨损的影响：

（1）CDCT是一种有效的LDED制造CrCoNi MEA的后处理方法。经过30次CDCT循环后，材料内的位错密度显著增加。

（2）CDCT引起的晶体缺陷和高CRS导致了致密厚的钝化膜的形成，从而显著提高了材料的耐腐蚀性，同时降低摩擦系数和磨损率，有利于耐磨性的提高。

（3）在保温阶段，致密位错和纳米孪晶的形成伴随着粘塑性变形，使冷却至低温时产生的高拉伸残余应力得到松弛。当再恢复到室温时，样品内部的残余应力恢复到比低温处理前更压缩的值。随着CDCT循环次数的增加，粘塑性变形会反复发生，导致更多的晶体缺陷，从而导致更高的CRS。

相关工作以“Microstructure, corrosion resistance and wear properties of laser directed energy deposited CrCoNi medium-entropy alloy after cyclic deep cryogenic treatment"为题发表在Virtual and Physical Prototyping期刊上，论文第一作者为Wenjie Zhao，通讯作者为Zhiliang Ning与Yongjiang Huang。