温州大学：电弧增材制造高熵合金玩出新高度——多股绞丝增材

来源： 江苏激光产业技术创新战略联盟

据悉，温州大学陈希章教授团队首次突破了多股绞丝增材制造高熵合金制造技术，为大尺寸和复杂形状高熵合金材料及产品的制造提供了一种高效有前途的制造方法，制造的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金达到强度2.8GPa和延伸率42%的优异结合。

高熵合金提出十余年来，由于理论和性能上的突破，是研究人员的研究重点之一。其中增材制造因其独特的优势，收到研究人员和产业领域的关注。增材制造所使用的材料主要是粉末和丝材两种，对高熵合金来讲，目前主要是粉末为主，用于选区激光融化（SLM）、激光熔覆（LMD）、选区电子束熔化（SEBM）和等离子弧增材制造（PPAW）等。而丝材是直接沉积增材制造的主要原材料，特别适用于大尺寸构件的制造，具有效率高、产品利用率高等优势，而高熵合金由于成分的复杂形导致流动性和偏析等问题，大尺寸产品的制造恰恰是其痛点并限制了该材料的工业应用。但高熵合金的丝材制备由于各种技术上的难点，至今未能实现，成为瓶颈技术，大大限制了该高端材料的应用。

近日，温州大学机电工程学院陈希章教授的“先进连接与增材制造”研究团队，将各种单质或者合金丝按照设计成分计算并采用特殊工艺绞合成单根绞合式丝材（作者命名为CCW），以此丝材作为填充材料，以电弧为能源实现了高熵合金制品的增材制造。相关研究成果以“Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropy alloy using combinedcable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM): Microstructure and mechanicalproperties” 为题发表在《Journal of Materials Science &Technology》74（2021）136-142

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

该团队制备的丝材采用多种单质或者合金丝绞合而成，成功避开了高熵合金丝的制备难点。文章涉及绞合丝材由7根单质与合金丝材经计算采用特殊工艺绞制而成，直径为1.8mm，采用冷金属过渡（CMT）电弧增材技术成功制备了Al-Co-Cr-Fe-Ni非等原子比高熵合金。图1所示为作者所采用的技术和多股绞合丝材。

图1：a. 电弧增材制造原理图；b. 绞合丝原理图；c. 绞合丝实物图

Al-Co-Cr-Fe-Ni体系的高熵合金通过铝元素原子半径与其余几种元素的差异产生的晶格畸变来实现固溶强化。本实验通电弧增材制造在制备非摩尔比的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。打印出来的试样由FCC和BCC双相组成，其中BCC为富Al-Ni相，FCC为富Fe-Cr相。制造的高熵合金元素分布如图2所示。

图2：电弧增材制造Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金元素分布图

实验通过改变沉积速度来研究热量对制得高熵合金试样组织性能的影响。通过实验发现焊枪运行速度越快（热量输入越少），制得的试样晶粒尺寸越小，体现在机械性能上的影响的为热量输入越少，屈服强度，断裂强度和韧性都有一定提升（断裂强度：2835 MPa，延伸率：41.8%）。工艺参数对制造的高熵合金结构影响如图3所示。

Fig. 3. 不同沉积速度下高熵合金的反极图：a. 8 mm/s; b. 10 mm/s; c. 12 mm/s; d. 沉积态

为验证产品性能，直接使用该丝材作为原料进行熔炼，保证同等成分，与增材制造试样进行对比。与熔炼试样对比发现，由于熔炼散热慢，导致晶粒粗大，严重脆化，断裂强度和韧性远不如增材制造的试样。这充分体现了增材制造的优越性。图4给出了基本增材制造高熵合金的性能及其与同成分铸件产品的对比。

Fig. 4. 强度试验: a. 应力应变曲线; b. 平均值.

据悉，该团队以突破大尺寸块体材料和复杂形状高熵合金产品构件的制造和工业应用为目标，自2016年提出高熵合金的绞合丝增材制造构想，至今已经突破多项关键技术，成功掌握多种高熵合金绞合丝的制备工艺，成功采用冷金属过渡（CMT）、等离子弧、激光等丝材直接沉积手段，实现了高熵合金的绞丝直接沉积增材制造。

论文引用：Q.K.Shen, X.D. Kong, X.Z. Chen, Fabrication of bulk Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropyalloy using combined cable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM):microstructure and mechanical properties, J. Mater. Sci. Technol. 74 (2021)136-142.