新型3D打印合金可承受極端條件

高熵合金通常也被稱為多主元素合金（MPEA）。這類材料已經(jīng)成為冶金界關(guān)注的焦點。在過去的十年中，許多科學研究發(fā)現(xiàn)了這些合金所表現(xiàn)出的顯著性能。其中，氧化物分散強化（ODS）MPEA在高溫下的性能，如強度和蠕變，以及輻照特性得到了改善。最近，多項研究已成功使用各種技術(shù)通過激光粉末床熔融（L-PBF）生產(chǎn)ODS合金。這些方法依賴于機械合金化、原位合金化或化學反應(yīng)將氧化物引入并摻入三維（3D）打印基質(zhì)中。然而，當嘗試通過不同的增材制造（AM）方法或機器生產(chǎn)類似的材料時，所有這些過程都會帶來復(fù)雜性和可重復(fù)性問題。

基于此，美國宇航局格倫研究中心的Timothy M. Smith使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計方法和激光快速制造技術(shù)，開發(fā)了一種新的氧化-分散-強化鎳鈷基合金。這種被稱為GRX-810的氧化物分散強化合金，使用激光粉末床熔融技術(shù)將納米級Y2O3顆粒分散到整個微觀結(jié)構(gòu)中。GRX-810在1，093℃下與傳統(tǒng)多晶鍛造鎳基合金相比，其強度提高了2倍，蠕變性能提高了1，000倍，抗氧化性提高了2倍。這些結(jié)果展示了未來的合金開發(fā)是如何利用分散強化與增材制造加工相結(jié)合，加速發(fā)現(xiàn)革命性的材料。相關(guān)成果以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題發(fā)表在最新一期《Nature》上，Timothy M. Smith是改文章的通訊兼一作。

GRX-810的微觀結(jié)構(gòu)表征圖1提供了基于重量百分比的模型優(yōu)化的GRX-810合金及其成分的預(yù)測相平衡。圖1b中的相圖顯示，對于NiCoCr大部分成分，HCP是0 K時能量最穩(wěn)定的相。

圖 1：GRX-810 建模和 NiCoCr 成分空間在圖2a中沿著一些（但不是所有）的氧化物-基體界面存在碳偏析。圖2b所示的附加低角度環(huán)形暗場（LAADF）-STEM DCI分析顯示了一個有代表性的缺陷微觀結(jié)構(gòu)。圖2c，d顯示了Cr、W和Re在晶界的溶質(zhì)偏析，而Ni和Co則被耗盡。圖2c中的EDS圖也顯示了富含Nb/Ti的金屬碳化物的存在，根據(jù)熱力學模型的預(yù)測，這些碳化物在合金熔化溫度之前是穩(wěn)定的。對GRX-810晶格進行高分辨率的高角度環(huán)形暗場分析，以探索該合金中是否存在局部化學排序。圖2e，f中的分析表明，盡管擁有L12形成元素，如Al、Ti和Nb，但晶格保持了完美的固溶體，不存在短程元素排序。

圖 2：GRX-810 微結(jié)構(gòu)的高分辨率表征GRX-810的機械性能作者對五種不同的MPEA合金（鎳鈷鉻、鎳鈷鉻-ODS、ODS-ReB、GRX-810和非ODS GRX-810）在1，093℃進行拉伸和/或蠕變測試，以比較其整體高溫機械性能。圖3a顯示了高溫拉伸試驗（1，093℃），突出了所測試的五種合金的強度和伸長率的差異。發(fā)現(xiàn)非ODS鎳鈷合金樣品的強度和延展性都比鎳鈷合金-ODS樣品低。事實上，通過簡單地加入Y2O3顆粒，鎳鈷合金的強度得到了提高，延展性也提高了兩倍。這突出了這些氧化物在高溫下所提供的強化效果。與其他ODS合金相比，GRX-810顯示出更高的強度和延展性；與NiCoCr相比，GRX-810提供了兩倍的強度和三倍以上的延展性，使其成為更堅固的高溫合金。與其他合金的比較見圖3b。為了比較這些合金的性能，還在1，093℃下進行了蠕變試驗。圖3c，d還顯示了GRX-810的氧化物強化和模型驅(qū)動的組合成分對高溫蠕變強度的影響。在1，093 °C和20 MPa，HIP GRX-810在6，500小時的蠕變后斷裂，而所有的非ODS合金都在40小時內(nèi)斷裂。

圖 3：NiCoCr 基合金的機械測試GRX-810的拉伸和蠕變性能得到改善的一個解釋是，與Superalloy 718相比，觀察到其抗氧化性的改善。在圖4中，GRX-810和Superalloy 718在1，100和1，200 °C下進行的循環(huán)氧化試驗結(jié)果顯示。在1，093 °C的暴露期間，每一種合金觀察到的重量損失都歸因于從試驗溫度空氣淬火時的氧化物剝落。然而，這里顯示的結(jié)果表明，GRX-810在1，093℃時的氧化耐久性優(yōu)于AM超合金718。

圖 4：1，093 和 1，200°C 下的循環(huán)氧化結(jié)果與當前 SOA 增材制造合金的比較與目前最先進的 （SOA） 增材制造高溫合金相比，GRX-810 在 1，093°C 下的蠕變壽命提高了幾個數(shù)量級。為了進一步說明這種改進，這些合金和其他市售超級合金的 1，093°C 蠕變斷裂壽命一起繪制在圖 5 中。圖5中的圖表比較了NiCoCr-ODS（綠色）和添加了Re和B的NiCoCr（ODS-ReB）（藍色）、GRX-810（金色）和AM中常用的傳統(tǒng)鍛造超合金（紅色）的高溫性能。在圖3中，盡管GRX-810明顯顯示出拉伸強度的提高，但其蠕變性能更加明顯和顯著。很明顯，納米級氧化物分散體的加入為基體提供了足夠的強度以避免位錯運動，從而導(dǎo)致了機械和氧化性能的改善。

圖 5：與當前 SOA 增材制造高溫合金相比，成品 GRX-810 的蠕變斷裂壽命小結(jié)總之，作者介紹了一種新的鎳鈷鉻基ODS合金GRX-810的設(shè)計、表征和性能，與目前的AM合金相比，它在極端環(huán)境下具有優(yōu)異的性能。在合金設(shè)計中使用計算模型導(dǎo)致了一種平衡性能和可加工性的成分，先進的表征使人們對潛在的微觀結(jié)構(gòu)和機制有了深入了解。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1，093℃下的蠕變性能顯示出數(shù)量級的改善，從而能夠在極端環(huán)境中的復(fù)雜部件中使用。

審核編輯 ：李倩