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华东理工大学连续碳纤维增强增材制造中熵合金在低温环境中的优越性能

2023-12-27

连续碳纤维增强增材制造中熵合金展现出在低温环境中的卓越力学性能。通过结合连续碳纤维3D打印技术和超声表面轧制工艺,我们成功地制备了一种具有梯度纳米结构的CoCrNi基中熵合金。这种先进的制造方法为几何复杂的低温部件提供了新的可能性。

高/中熵合金(HEAs/MEAs)近年来在工程领域引起了广泛关注,特别是在低温环境下展现出优异的断裂韧性和延展性。然而,这些合金的工程应用受到低强度的限制,因此需要进一步优化以提高其在低温环境下的强度和延性。

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激光辅助粉末床熔融(LPBF)是一种领先的增材制造(AM)技术,为制造具有复杂形状的零件提供了新的途径。此外,通过结合连续碳纤维3D打印技术,我们可以进一步提高材料的强度和刚度。这种先进的制造方法不仅提高了材料的机械性能,而且为开发具有复杂几何形状的部件提供了更大的灵活性。

为了实现这一目标,我们采用了连续碳纤维增强增材制造的CoCrNi基中熵合金。首先,我们使用连续碳纤维3D打印机将预处理的过的碳纤维与合金粉末逐层打印成预设的形状。这一过程确保了碳纤维在合金中的均匀分布,并提供了优异的力学性能。

接下来,为了进一步优化材料的性能,我们对打印样品进行了超声表面轧制工艺(USRP)处理。USRP通过引入梯度纳米结构,有效地缓解了强度和延性之间的权衡。通过这种处理,我们成功地提高了材料的表面硬度和延展性,使其在低温环境下仍能保持出色的力学性能。

实验结果表明,经过连续碳纤维增强增材制造和超声表面轧制工艺处理的CoCrNi基中熵合金在低温环境下展现出卓越的强度和塑性。其屈服强度高达1274 MPa,塑性也显著提高,达到了24.6%。这一优异的性能归因于增材制造和超声表面轧制工艺引起的微观结构变化,包括高密度位错的形成和梯度纳米结构的引入。

此外,连续碳纤维的加入进一步增强了材料的刚度和抗疲劳性能。碳纤维与合金粉末的结合使得材料在承受载荷时能够更好地分散应力,从而提高其在实际应用中的稳定性。

本研究为低温环境下的高性能材料开发提供了新的思路。通过结合连续碳纤维3D打印技术和超声表面轧制工艺,我们可以制备出具有优异力学性能的梯度纳米结构中熵合金。这种先进的制造方法有望推动低温应用领域的发展,为几何复杂的部件提供更可靠的解决方案。

未来的研究将进一步探索连续碳纤维增强增材制造中熵合金在不同温度和加载条件下的行为,以更好地理解其性能表现和应用潜力。此外,我们还将致力于优化制造工艺,以实现大规模生产和推广应用。


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