中南大学《JMST》：SLM制备出抗拉强度1GPa耐腐蚀的中熵合金！

近年来，增材制造(AM)引起了广泛的关注，可实现复杂几何零件的近净成形。作为最流行的AM方法之一，具有超高凝固速率的选区激光熔化(SLM)能够抑制中等温度下出现的有害相的析出。因此SLM往往能够提高合金元素固溶度，形成过饱和固溶体，产生的胞状亚晶结构是极其独特的，可以强烈地改变机械性能。不锈钢( SS )是工业和日常生活中应用广泛的材料之一。不锈钢的结构类型多样，如奥氏体、铁素体或双晶，而Cr是决定其整体耐蚀性的关键元素。研究表明腐蚀动力学与溶解在SS基体中的Cr含量成反比，但是Cr的过度合金化不可避免地导致Fe-Cr σ相沿晶界或晶界方向析出，使材料在受力时不可避免地集中晶间应力，材料脆性增加。在SS中Cr含量通常限制在17-22 wt.%。如何解决腐蚀-机械性能这一问题，一直是科学和工程领域面临的挑战。

 

中南大学的研究人员结合SLM AM技术和高/中熵合金(H/MEA)的新合金化策略，为制备细晶Cr过饱和不锈钢Fe-Cr-Ni三元合金奠定了基础。采用近等原子原理，FeCrNi MEA的平均Cr含量达到35 at.%的突破水平。在没有σ相析出的情况下，SLM成功构建了MEA材料，并测试了其力学性能和耐蚀性。相关论文以题为“Segregation enabled outstanding combination of mechanical and corrosion properties in a FeCrNi medium entropy alloy manufactured by selective laser melting”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.018

采用高纯Ar气体雾化法制备预合金FeCrNi MEA粉末，粉末呈球形，直径为17.9μm，实际化学成分为Fe_32.39Cr_35.12Ni_31.58(at.%)。SLM参数为：激光功率350 W，扫描速度700mm/s，层厚50μm，扫描旋转角度67°，SLM后进行400℃×3h去应力退火(炉冷)。

 

研究发现SLM制备的FeCrNi MEA保持了面心立方单相，不存在其他二次相或杂相。在接近晶界区域含有丰富的Cr和C元素，高Cr、C含量和Cr/C比表明该碳化物可能为Cr₂₃C₆型碳化物，它们数量少，尺寸仅几十纳米，这种结构的形成可通过BMI和PAS来理解。

  

图1 SLM FeCrNi MEA的图像

 

图2 SLM FeCrNi MEA的晶粒形貌

 

图 3 SLM FeCrNiMEA 的APT结果

 

图 4 SLM FeCrNi MEA 的力学性能

 

图5 SLM FeCrNiMEA的耐腐蚀性能

 

综上所述，本文利用SLM技术成功地制备了面心立方单相FeCrNi MEA，在没有σ相析出的情况下该MEA具有较高的Cr含量(约35at.%)。由于其独特的熔化场和凝固顺序，这种SLM MEA呈现出粗柱状晶粒和亚微米细胞结构的层次结构。发现Cr和间隙C被分离到晶界处。这不仅对晶界有钉扎作用，还能够进一步阻碍位错滑移，从而增强了MEA，还促进材料表面的扩散动力学，提高了耐腐蚀性能。FeCrNi MEA具有良好的强度(σ_0.2=745 MPa，σ_UTS=1007 MPa)和延性(ε_f=31%)，以及良好的耐腐蚀性能(i_corr=0.06 μA/cm²)。本文突破了常规方法下Cr的溶解度极限值，为制备Cr过饱和不锈钢Fe-Cr-Ni三元合金奠定了基础。 （文：破风）

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