美國格倫研究中心：使用3D打印技術(shù)開發(fā)一種新的氧化物彌散強化鎳鈷鉻基合金

來源：微算云平臺

多主元合金，由于其令人印象深刻的機械性能和抗氧化性能,，特別是在極端環(huán)境中,，是一類有利的材料。

在此,，來自美國國家航空航天局格倫研究中心的Timothy M. Smith等研究者使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計方法和基于激光的三維打印,，開發(fā)了一種新的氧化物彌散強化鎳鈷鉻基合金。相關(guān)論文以題為“A 3D printable alloy designed for extreme environments”于2023年04月19日發(fā)表在Nature上,。

高熵合金,，也被稱為多主元素合金（MPEAs），是當(dāng)前冶金界感興趣的一類材料。在過去的十年中,，許多科學(xué)研究揭示了這些合金表現(xiàn)出的非凡性能,。其中，最廣泛研究的MPEA家族之一是Cantor合金CoCrFeMnNi及其衍生物,。

這組合金具有優(yōu)異的應(yīng)變硬化特性,，表現(xiàn)出高拉伸強度和延展性�,？朔�強��-延展性折衷是由原子尺度變形機制引起的,，例如局部可變的堆垛故障能和磁驅(qū)動相變。這類合金還被證明是堅固耐用的,，能夠抵御氫環(huán)境脆化,，表現(xiàn)出改進(jìn)的輻照性能，并在低溫下提供卓越的強度,。
因此,，這些合金在提高溫度和腐蝕環(huán)境下展現(xiàn)出巨大的潛力，可以實現(xiàn)減輕重量和高性能運行,。

一個特別引人注目的Cantor合金衍生物是中熵合金NiCoCr,。這個合金家族在室溫下提供了Cantor合金及其衍生物中最高的強度。最新研究表明,，這種合金在冷軋后經(jīng)過部分再結(jié)晶熱處理時表現(xiàn)出令人印象深刻的拉伸性能（室溫屈服強度達(dá)到1,100 MPa）,。

這些性能還歸因于應(yīng)變誘導(dǎo)的面心立方（FCC）到六方最密堆積（HCP）的相變和局部堆垛故障的變化。近期,，還對NiCoCr合金添加了耐燒蝕元素和間隙元素進(jìn)行了合金化和摻雜研究,。

Seol等人發(fā)現(xiàn)，將高熵合金NiCoCrFeMn摻雜30 ppm硼可以顯著改善強度和延展性,，這歸因于硼在晶界和間隙處的強化作用,。近期的研究還發(fā)現(xiàn)，向MPEAs中添加碳可以提高強度,。

最后,，Wu等人發(fā)現(xiàn)，在NiCoCr合金中添加三個原子百分比（at.%）的鎢可以創(chuàng)建細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)（平均晶粒尺寸1 μm）,，從而顯著提高合金的屈服強度（超過1,000 MPa,，而非合金化的NiCoCr為500 MPa），同時保持卓越的延展性超過50%,。

這些結(jié)果表明,，通過進(jìn)一步的合金化，仍然可以在FCC MPEA系統(tǒng)中實現(xiàn)顯著的改進(jìn),。

對氧化物彌散強化（ODS）中熵合金進(jìn)行的研究已經(jīng)顯示出在高溫下的性能改善（強度和蠕變）以及輻照性能,。類似地,，多個最近的研究成功地通過激光粉末床熔化（L-PBF）使用各種技術(shù)制備了ODS合金,。這些方法依賴于機械合金化,、原位合金化或化學(xué)反應(yīng)，將氧化物引入和合并到三維（3D）打印的基質(zhì)中,。
然而,，所有這些過程在嘗試通過不同的增材制造（AM）方法或機器生產(chǎn)類似材料時都引入了復(fù)雜性和可重復(fù)性的問題。Smith等人的最新研究通過L-PBF制備了ODS NiCoCr,，其中納米尺度的Y2O3納米顆粒通過高能混合過程涂覆到NiCoCr金屬粉末上,，無需任何粘結(jié)劑、流體或化學(xué)反應(yīng),。
這個過程沒有使粉末球形形態(tài)變形或受到影響,，這對于高質(zhì)量的AM組件來說是重要的。使用這種方法,，這些作者制備了一種ODS合金,，在1,093 °C下，其拉伸強度提高了35%,，延展性提高了三倍,，相比其非ODS對照樣品。

在這里,，研究者使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計方法和基于激光的三維打印,，開發(fā)了一種新的氧化物彌散強化鎳鈷鉻基合金。這種名為GRX-810的氧化物彌散強化合金采用激光粉末床熔化技術(shù),，在不使用資源密集型的機械或原位合金化等加工步驟的情況下,，將納米尺度的Y2O3顆粒分散到整個顯微結(jié)構(gòu)中。
研究者通過對GRX-810構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率表征,，展示了納米尺度氧化物在整個GRX-810構(gòu)件體積中的成功引入和分散,。GRX-810的力學(xué)性能結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)多晶液態(tài)態(tài)鎳基合金相比,，在1,093 °C下,，其強度提高了兩倍以上，蠕變性能提高了1000倍以上,，氧化抗性提高了兩倍,。
這種合金的成功突顯了模型驅(qū)動的合金設(shè)計可以通過使用更少的資源，相較于過去的“試錯法”方法,，提供更優(yōu)越的組成,。這些結(jié)果展示了將彌散強化與增材制造加工相結(jié)合的未來合金開發(fā)如何加速革命性材料的發(fā)現(xiàn)。

圖1 GRX-810與 NiCoCr 組分空間的模擬

圖2 對GRX-810微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率表征

圖3 NiCoCr 基合金的力學(xué)性能測試

圖4 循環(huán)氧化的結(jié)果是在1,093和1,200 °C

圖5 GRX-810與現(xiàn)有 SOA AM 高溫合金的蠕變斷裂壽命比較

總之,，研究者介紹了一種新型基于NiCoCr的氧化物分散強化合金GRX-810的設(shè)計,、表征和性能，相較于當(dāng)前的AM合金，在極端環(huán)境下具有卓越的性能,。通過計算建模在合金設(shè)計中的應(yīng)用,，實現(xiàn)了性能和加工性的平衡，高級表征揭示了其微觀結(jié)構(gòu)和機制,。GRX-810在1,093 °C的蠕變性能較當(dāng)前使用的高溫合金有數(shù)量級的改善,，從而使得AM在極端環(huán)境下，可以應(yīng)用于復(fù)雜部件的制造,。

文獻(xiàn)信息：Smith, T.M., Kantzos, C.A., Zarkevich, N.A. et al. A 3D printable alloy designed for extreme environments. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05893-0

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0