導(dǎo)讀：激光粉末床熔化( LPBF )制備的Co Cr Mo ( CCM )合金通常具有較低的延展性。在本研究中，針對(duì)LPBF制備的CCM合金，提出了一種新的殘余應(yīng)力定制的高堆垛層錯(cuò)( SF )塑性變形模式，在制備態(tài)下具有優(yōu)異的延展性(~14.5 % )。精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)表征表明，較低的初始?xì)堄鄳?yīng)力導(dǎo)致了較高的層錯(cuò)概率，產(chǎn)生了大量的SFs來維持塑性變形。這種大變形斷裂活動(dòng)緩解了高殘余應(yīng)力水平CCM合金FCC / HCP相之間的應(yīng)變局部化。進(jìn)一步的低溫退火處理驗(yàn)證了上述理論，并將延展性提高到了21.4 %，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1181 MPa。本研究表明，通過調(diào)節(jié)LPBF制備CCM合金的內(nèi)部殘余應(yīng)力和堆垛層錯(cuò)，可以顯著提高合金的延展性。

CoCrMo ( CCM )合金通常由面心立方( FCC )和密排六方( HCP )雙相結(jié)構(gòu)組成，具有良好的生物相容性和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，已被成功用作骨科植入物和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件。激光粉末床熔覆( LPBF )技術(shù)作為目前主流的增材制造( AM )技術(shù)之一，能夠以最小的工裝成本和材料損耗生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的金屬零件。先前的研究表明，與傳統(tǒng)制備的CCM合金相比，LPBF制備的CCM合金具有更高的屈服強(qiáng)度。其強(qiáng)化機(jī)制歸因于獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，包括高密度的晶格缺陷、HCP相結(jié)構(gòu)和生成的析出相。然而，HCP相的存在同時(shí)導(dǎo)致了微裂紋的形核和擴(kuò)展，這是由于FCC / HCP相界面的高應(yīng)變局域化傾向，最終導(dǎo)致了LPBF制備CCM合金的過早失效。盡管人們一直致力于通過采用新的掃描策略、調(diào)整化學(xué)成分和進(jìn)行后期熱處理等方法來調(diào)控FCC / HCP相結(jié)構(gòu)，但迄今為止，人們?nèi)栽诓粩嗵剿魅绾未蚱频蛪鸿T造CCM合金的強(qiáng)度和塑性困境。

在本研究中，我們報(bào)道了一種新的策略來有效地提高LPBF制備CCM合金的延展性而不降低其屈服強(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)施加的激光工藝參數(shù)，低殘余應(yīng)力水平的LPBF制備的CCM合金在高殘余應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出廣泛的晶格錯(cuò)動(dòng)以維持大的塑性變形，而不是大量的位錯(cuò)增殖和積累，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中和過早的失效。后熱處理研究驗(yàn)證了上述發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)一步將延展性延長至20 %以上，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1181 MPa。本研究有望為未來LPBF制備高性能CCM合金的激光工藝參數(shù)開發(fā)和相關(guān)的熱處理工藝優(yōu)化提供參考。

蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的賈慶波教授團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了研究，相關(guān)研究成果以題為“Ductility enhancement of additively manufactured CoCrMo alloy via residual stress tailored high stacking fault probability”發(fā)表在期刊Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223003494

圖1 . LPBF制備的LED ( a-e )和HED ( f-j )樣品的微觀結(jié)構(gòu)表征。( a ) ( f ) IPF著色圖，( b ) ( g )相分布圖，( c ) ( h )插入取向差角分布的KAM圖，( d ) ( i ) SFs的TEM照片，( e ) ( j )納米析出相的STEM照片。

圖2 . LPBF制備的LED和HED樣品的拉伸性能。( a )插入式拉伸試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖，( b )插入式真應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的應(yīng)變硬化率曲線，( c )屈服強(qiáng)度-拉伸伸長率和( d )極限抗拉強(qiáng)度-拉伸伸長率圖，以便與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖3 . LPBF制備的LED和HED樣品的拉伸變形行為表征。( a )斷裂LED樣品的晶格缺陷的BF TEM照片，( b )放大圖( a )，( c )對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射( SAED )花樣，( d-f )不同拉伸應(yīng)變下HED樣品中SFs的演變，( g )和( h )分別是( b ) HED樣品在6 %應(yīng)變后的HRTEM照片，( i ) HED樣品在14.5 %應(yīng)變后的放大圖( f )。不同應(yīng)變水平下LPBF制備的HED和LED樣品的( j ) HCP相含量、( k )位錯(cuò)密度和( l ) SF概率和平均SF距離演化的XRD分析。

圖4 .研究了LED和HED樣品在熱處理過程中的殘余應(yīng)力和拉伸性能演變。橢圓擬合曲線顯示了( a ) LED和( b ) HED樣品在不同熱處理后的殘余應(yīng)力變化，( c ) LPBF制備的LED和HED樣品在不同熱處理?xiàng)l件下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和( d )屈服強(qiáng)度值。

綜上所述，高殘余應(yīng)力引起的晶格畸變對(duì)LPBF制備CCM合金的變形模式選擇和力學(xué)性能具有重要影響。通過降低LPBF制備CCM合金的本征殘余應(yīng)力，成功激活了SF介導(dǎo)的變形機(jī)制。由此產(chǎn)生的較低的初始晶格應(yīng)變導(dǎo)致了較高的SF概率，有效地維持了塑性變形，并通過大量變形SF的擴(kuò)散和傳播來延緩斷裂。后消應(yīng)力處理研究驗(yàn)證了上述觀察，并進(jìn)一步將合金的延展性提高到了21.4 %，抗拉強(qiáng)度提高到了1181 MPa。本研究采用的內(nèi)部殘余應(yīng)力調(diào)控策略為提升工藝參數(shù)，更重要的是為LPBF制備高性能CCM合金的后熱處理開發(fā)提供了新的思路。由于經(jīng)歷不同的熱循環(huán)和積累不同的殘余應(yīng)力，試樣的成形方向是否能對(duì)合金的延展性產(chǎn)生類似的影響值得懷疑，然而，相關(guān)的微觀組織(如晶粒結(jié)構(gòu))的不均勻性也會(huì)影響LPBFed CCM合金的力學(xué)性能。這超出了目前的研究范圍，將在未來進(jìn)行研究。