增材製造技術 (AM) 在高熵合金中的應用越來越受到關注，其極快的冷速 (103 –106 K/s)有利於形成過飽和固溶體，從而穩定HEAs的相結構，此外較快的冷卻速度可實現晶粒細化，顯著提高合金強度和硬度。而利用定向能量沉積技術(DED)能夠直接原位合成成分可變的高熵合金。
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普渡大學機械工程學院激光製造中心通過DED技術原位合成了三種不同微觀結構的CoCrFeNiTi 高熵合金。通過微觀結構分析，發現製備的HEAs的抗氧化性能可與鉻鎳鐵合金625相媲美。該項工作對HEA的成分、組織、硬度、抗氧化性和耐磨性進行了詳細的評價，為實際生產應用提供了借鑒意義。
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https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165469
研究要點
研究團隊利用DED工藝製備不同原子比的CoCrFeNiTi HEA合金。由於每種金屬粉的流動性和密度不同，其實際成分與預混合成分之間存在偏差，最終設計3種不同的HEA組分H1、H2和H3。
圖1 (a)CoCrFeNiTi粉末的SEM圖；(b) CoCrFeNiTi粉末的EDX圖。
為解決不完全熔化和改善化學異質性，研究團隊通過改善打印參數，最終選擇45-75μm片狀的Cr粉末，形成未熔化的納米顆粒和約200nm的團簇。打印件中未熔化顆粒的比例和尺寸很小，對力學性能和氧化性能的影響較小，通過增加激光功率、降低層厚度和降低掃描速度來增加能量密度，將減少不完全熔化問題，同時降低孔隙率。
圖2 H1成分熔合區STEM圖和EDX結果。
由於AM過程的逐道跟蹤特性，可以觀察到不同的熔合區(FZ)和熱影響區(HAZ)，熱影響區的大小取決於AM參數，即掃描間距和層厚。其中HAZ在蝕刻後比FZ顯示出更深的對比度，利用EDX檢測顯示明暗相，分別對H1、H2、H3進行測量和標記。
圖3 對於H1成分中不同相組織的SEM圖和EDX結果。
圖4 H2成分不同相組織的SEM二次電子圖像和EDX結果。
圖5 H3成分不同相組織的SEM二次電子圖像和EDX結果。
通過XRD測試表徵不同HEA的相結構，由於含大量的非均相成分，可能會形成少量的Ni4Ti3、Ni3Ti和NiTi，但沒有明顯的峰。從H1到H3，這些次級相的峰值強度逐漸降低，意味着體積百分比降低，因為不同相的相對強度可以量化它們的比例，三種XRD圖譜均以FCC-γ峰為主。
圖6 用DED方法合成的三種HEA合金的XRD譜圖。
由於熔合區和熱影響區組織的不均一性，為了在小尺度上了解不同區域的硬度，進行了維氏顯微硬度試驗。由於H3在熔合區和熱影響區中具有相似的實際成分，因此H3的硬度標準差較H1和H2減小。同時比較三種設計合金的抗氧化性能，利用增重值結果比較，驗證HEA合金在高溫應用方面的潛力。
圖7 利用DED技術合成的HEA合金熱氧化結果。
總結
該研究提供了一種利用金屬增材製造技術以低成本預混合元素粉末為原料，高通量開發新型HEA合金的方法。所設計的三種HEA均表現出與Inconel 625高溫合金相當的抗氧化性，其大約比AISI M2高20倍，比AISI 52100軸承鋼高30倍。由於H1和H2具有更高的硬度或，據報道該硬度比AISI M2和AISI 52100耐磨鋼具有更好的耐磨性，因此H1和H2被認為具有巨大的耐磨應用潛力。
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