激光选区退火冷轧高熵合金获得良好综合力学性能梯度结构

激光选区退火冷轧高熵合金获得良好综合力学性能梯度结构

刘晟博 ,张晓晴 ,汤伟琦 ,郭斌 ,彭家富

大连交通大学  辽宁省大连市  116028

摘要

本论文使用激光作为加热源，利用其精度高、加热速度快、加热范围小等特点，在高熵合金板材上连续扫描固定区域，由于扫描区域与整个板材相比面积很小，热量在扩散时逐渐被吸收，于是板材上会产生明显的温度梯度，从而在退火后板材中出现晶粒尺寸梯度结构，利用这种连续变化的特殊结构，打破高熵合金板材经普通退火后塑性得到提高但强度大幅降低的现象，实现良好的强塑配合。

关键词：高熵合金   激光退火 异质结构

0引言

高熵合金作为一类新型金属材料，在许多方面尤其是力学性能方面具有良好的性能，并且可以通过加工大幅度提高其某一方面的力学性能。但是某一方面力学性能的提高往往伴随着另一方面力学性能的降低。强塑性平衡是常见的一类力学性能此消彼长的现象，常见的热处理工艺在提高强度的同时必然伴随着塑性的降低，同样地，如果把样品的塑性提高，也很难维持其原有的强度。通过在金属内构建异质结构材料，在变形过程中为额外的强化引入据点，可以在塑性牺牲很小的情况下提高强度，从而打破强塑性平衡[1]。对样品进行激光退火可以在其内部引入包含不同类型晶粒的随机分布的组织，这种非均质结构一定程度上提高了强塑平衡杠杆的支点；大量的实验证明，具有梯度结构或层状结构的样品在一定的方向上强塑性平衡也会被打破。因此通过在高熵合金内构造非均质结构，是提高强塑性平衡一种重要思路。

1高熵合金

高熵合金（high entropy alloys，HEAs）起源于1963年一篇对于七元合金性能的报道，当时就有学者对具有多种元素的合金进行了初步的表征。上世纪70年代英国牛津大学Canter教授的一名学生在其本科毕业论文中第一次提到高熵合金的早期名称——多主元合金，这种合金一开始并没有受到很大关注，直到1995年，中国台湾省学者叶均蔚教授的课题组在研究合金主元与高混合熵及相组成的关系时，发现由多种金属元素等原子比制备的合金，铸态下的硬度与经过完全退火后的硬度几乎一致。与此同时，他们还发现金属元素的数量会影响合金的硬度，随着金属元素的增加，合金的硬度会升高，这些显然与正常金属及合金的通性有明显差异，于是引起了众多学者越来越多的关注。2004年，叶均蔚教授的课题组先后公开发表的几篇关于高熵合金的论文中正式提出高熵合金的确切概念并对高熵合金进行了定义[2]。

2激光表面退火

激光表面退火通过利用晶粒尺寸与退火温度之间高相关性和激光具有小区域灵活性的特点，成功使用梯度退火代替梯度塑性变形在金属材料中引入晶粒尺寸梯度，与传统热退火相比，激光退火处理具有退火区域可控性好、热积累少、散热快等优点，并且适用于所有可以打印的试样，应用范围广泛[3,4]。清华大学摩擦学国家重点实验室的Chen等，利用激光表面退火技术在NiTi中引入两侧为粗晶，中部为纳米晶的连续梯度结构，实现了细晶粒和粗晶粒之间的协同强化作用。与传统的纳米晶NiTi和微观组织均匀的粗晶NiTi相比，这种利用激光表面退火获得特殊梯度结构的NiTi热弹性冷却能力和效率分别提高了50%和130%。

3异质结构

2015年朱运田教授和中科院力学所的武晓雷教授首次提出了异质结构的概念，金属材料中的异质结构一般表现为宏观上材料结构、性能的差异，如不同相之间的“软”、“硬”差异、“韧”、“脆”差异等；微观结构上的差异，如晶粒大小按一定规则交替排列或呈梯度排列（梯度结构）；成分上的差异，如化学成分梯度、相间元素计量比差异等[5]。以上差异使带有异质结构的金属材料具有强度变化很大的微观结构单元，这种特殊的结构在形变发生时，软-硬单元之间将会产生十分严重的应变不协调现象，使该区域产生较大的“背应力”——背应力是指材料微观结构的软-硬单元在形变过程中由于变形能力不同，从而产生的相互作用力。其中，软单元提供了金属材料塑性形变的能力，硬单元提供了金属材料的强度。在这种软-硬单元配合下，具有异质结构的金属材料通常会表现出高强度和高塑性，实现了强度与塑性的较好配合，这将对探索微观复合、宏观完美的金属材料有较强的指导作用[6,7]。图1-2展示了部分典型的异质结构形式，如双相结构（软-硬相晶粒相间排列）、双峰结构（由两级尺寸的晶粒构成）、层片结构（大小晶粒逐层相间排列）、梯度结构（晶粒尺寸呈梯度分布变化）、纳米孪晶结构（晶粒的内部引入高密度孪晶界）以及多层板结构（不同性能的材料之间通过化学键结合形成，层厚在百微米以内）。

图 1  异质结构

4高熵合金中引入梯度结构

燕山大学的宋健利用SMGT的方法，在CoCrFeMnNi高熵合金中制备出了梯度纳米结构，梯度结构由变形层与芯部未变形的均匀块体粗晶材料构成。变形层的晶粒尺寸由12微米连续过渡到16纳米，显微结构分为位错控制的粗晶区域，机械孪晶控制的细晶区域，超细晶层状结构区域，纳米层状结构区域以及等轴纳米晶区域。这种梯度结构依靠不同尺寸晶粒之间的配合，改善了材料受拉时出现的表面粗化现象

[8-10]，从而表现出良好的塑性变形能力。实验结果显示，经过SMGT 9道次处理后高熵合金的屈服强度与均匀延伸率分别能达到539MPa、23%，实现了强度与塑性良好的相互配合。

5结语

通过改变激光功率与扫描速度对后的Al0.1CoCrFeNi高熵合金板材进行激光表面退火处理，得到一系列试样，采用拉伸试验检验材料的力学性能，选取其中力学性能最好的一组试样，用扫描电镜和X射线方法研究其基本微观组织，然后采用透射电镜观察分析结构，与未进行激光表面退火的试样对比，分析引入梯度结构对高熵合金板材的力学性能影响机理。

参考文献

[1] Senkov, O. N., Senkova S. V., Miracle D. B., et al. Mechanical properties of low-density, refractory multi-principal element alloys of the Cr–Nb–Ti–V–Zr system[J]. 2013, 565(Mar.10): 51-62.

[2] Dean, S. W., Zhang Y., Chen G. L., et al. Phase Change and Mechanical Behaviors of TixCoCrFeNiCu1−yAly High Entropy Alloys[J]. 2010, 7(5):

[3]杜岩. 层状金属复合材料中异质结构的形成及其对变形行为的影响[D].哈尔滨工业大学,2017.