[論文レビュー] Cyclic plasticity and fatigue damage of CrMnFeCoNi high entropy alloy fabricated by laser powder-bed fusion

Minsoo Jin, Alessandro Piglione+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 34被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、レーザー粉末床溶融法で作製されたCrMnFeCoNi高エントロピー合金における周期的プラスティシティおよび疲労損傷を調査し、その結果、周期的プラスティシティは転位滑りが支配的であるのに対し、スキャン戦略が結晶構造を通じて亀裂伝ぱに顕著な影響を及ぼすことが明らかになった。特に、0°回転を伴うミーダー走査では、柱状の結晶と亀裂伝ぱ路線に沿った最小限の結晶粒界間隔が得られ、疲労耐性が最大となった。

ABSTRACT

The CrMnFeCoNi high-entropy alloy is highly printable and holds great potential for structural applications. However, no significant discussions on cyclic plasticity and fatigue damage in previous studies. This study provides significant insights into the link between print processes, solidification microstructure, cyclic plasticity and fatigue damage evolution in the alloy fabricated by laser powder bed fusion. Thermodynamics-based predictions (validated by scanning transmission electron microscopy (STEM) energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)) showed that Cr, Co and Fe partition to the core of the solidification cells, whilst Mn and Ni to the cell boundaries in all considered print parameters. Both dislocation slip and deformation twinning were found to be responsible for plastic deformation under monotonic loading. However, the former was found to be the single dominant mechanism for cyclic plasticity. The surface finish helped to substantially delay the crack initiation and cause lack-of-fusion porosity to be the main source of crack initiation. Most significantly, the scan strategies significantly affect grain arrangements and grain dimensions, leading to noticeable effects on fatigue crack propagation; in particular, the highest resistance crack propagation was seen in the meander scan strategy with 0° rotation thanks to the most columnar grains and the smallest spacing of grain boundaries along the crack propagation path.

研究の動機と目的

• レーザー粉末床溶融（LPBF）プロセスパラメータがCrMnFeCoNi高エントロピー合金の微細組織および機械的応答に与える影響を理解すること。
• 凝固微細組織が周期的プラスティシティおよび疲労損傷の進化に果たす役割を調査すること。
• 単軸および周期的応力下における変形メカニズムの支配的要因を同定すること。
• スキャン戦略が結晶形態および疲労亀裂伝ぱ抵抗性に与える影響を評価すること。
• 主な亀裂発生源を特定し、表面仕上げおよび孔隙率との関係を解明すること。

提案手法

• 固体化セル内の元素分配を分析するため、熱力学的モデリングに加え、走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いたエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を実施。
• 主に転位滑りおよび加工変態帯生成の支配的メカニズムを同定するため、単軸引張試験を実施。
• 周期的応力下での周期的プラスティシティおよび疲労損傷の進化を特徴付けるために、周期的荷重試験を実施。
• ミーダー走査、0°回転など、さまざまなレーザー走査戦略を系統的に変化させ、結晶構造および亀裂伝ぱへの影響を評価。
• 表面仕上げおよび不完全接合孔隙度に注目し、亀裂発生部位の微細組織分析を実施。
• 破断断面観察および電子バックスクattering回折（EBSD）データを用いて、微細組織（結晶方位、境界間隔）と疲労性能の相関関係を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LPBF凝固過程における元素分配は、CrMnFeCoNi高エントロピー合金の微細組織にどのように影響を与えるか？
• RQ2 LPBFで成形された合金における単軸および周期的応力下で支配的となる塑性変形メカニズムは何か？
• RQ3 異なるレーザー走査戦略は、LPBFで成形された合金の結晶形態および結晶粒界配置にどのように影響を与えるか？
• RQ4 疲労亀裂発生の主な原因は何か。また、表面仕上げはその発生にどのように影響するか？
• RQ5 亀裂伝ぱ路線に沿った結晶粒界間隔は、疲労亀裂伝ぱ抵抗性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• STEM-EDXおよび熱力学的予測により、Cr、Co、Feが固体化セルの中心部に分配する一方、MnおよびNiはセル界面に集中することが確認された。
• 周期的プラスティシティでは転位滑りが支配的であるのに対し、単軸応力下では転位滑りと加工変態帯生成の両方が寄与している。
• 表面仕上げが良好な場合、亀裂発生が著しく遅れるため、不完全接合孔隙度が亀裂核生成の主な要因となる。
• 0°回転を伴うミーダー走査戦略は、最も柱状の結晶を形成し、亀裂伝ぱ路線に沿った結晶粒界間隔を最小限に抑え、結果として最大の疲労亀裂伝ぱ抵抗性を示した。
• スキャン戦略によって誘導される結晶配列および粒界間隔は、疲労性能に顕著な影響を及ぼし、0°ミーダー戦略が他の戦略を上回った。
• 亀裂伝ぱが最も抑制されるのは、配列整った柱状結晶と、亀裂伝ぱ路線に沿った横方向の結晶粒界密度が低い微細組織である。