加速革命性材料的發(fā)現(xiàn)，使用3D打印開發(fā)新的氧化物彌散增強NiCoCr基合金

來源： 材料人

高熵和中熵合金具有非常優(yōu)異的力學、抗氧化、抗輻照性能，所以這類材料在航空航天以及能源應用方面極具前景。局部可變層錯能，應力誘導的相變等都是高熵合金克服強塑性相互排斥的有力微觀機制。向中熵合金中摻雜其它元素，例如B，W和O等，將極大地提高其力學性能。彌散氧化物強化中熵合金(ODS)具有優(yōu)異的高溫蠕變，強度以及抗輻照性能。最近的多項研究已經(jīng)成功地利用各種技術通過激光粉末床熔合(L-PBF)制備ODS合金。這些方法依賴于利用機械合金化、原位合金化或化學反應將氧化物引入三維(3D)打印基體。然而，當試圖通過不同的增材制造(AM)方法或機器生產(chǎn)類似的材料時，所有這些過程都會引入復雜性和可重復性問題。該過程不會變形或影響粉末的球形形貌，這對于高質量的增材制造部件非常重要。使用這種方法制備的ODS合金，與非ODS合金相比，在1093°C時抗拉強度提高了35%，延展性提高了三倍。這項研究通過引入模型驅動的方法，制備了ODS合金，并研究了其高溫力學性能。

成果掠影

最近，來自美國宇航局格倫研究中心的Timothy M. Smith研究員利用模型驅動合金設計方法和激光增材制造技術開發(fā)了一種新的氧化物彌散增強NiCoCr基合金。這種氧化物分散強化合金，稱為GRX-810，使用激光粉末床熔合將納米級Y2O3顆粒分散到整個微觀結構中，而無需使用機械或原位合金化等資源密集型加工步驟。通過對其微觀結構的高分辨率表征，展示了納米級氧化物在GRX-810構建體積中的成功結合和分散。在1093℃下，與廣泛用于增材制造的傳統(tǒng)多晶變形鎳基合金相比，GRX-810合金的強度提高了兩倍，蠕變性能提高了1000倍以上，抗氧化性能提高了兩倍。這種合金的成功突出了模型驅動合金設計策略，與過去的“試錯”方法相比，具有明顯的先進性。因此，利用彌散強化與增材制造工藝相結合的未來合金開發(fā)可以加速革命性材料的發(fā)現(xiàn)。相關成果以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題發(fā)表在國際綜合頂刊Nature上。

核心創(chuàng)新點
(1) 提出模型驅動3D打印合金設計策略；

(2) 獲得了在1093℃下，比傳統(tǒng)多晶變形鎳基合金強度高兩倍，蠕變性能提高了1000倍以上，抗氧化性能提高了兩倍的GRX-810新合金。

數(shù)據(jù)概覽

圖1 GRX-810和NiCoCr合成成份空間的建模；a， GRX-810的相穩(wěn)定性。b、0 K時NiCoCr三元相圖計算。a、體心立方(BCC)富Cr相的能量低于紅線上方的FCC或HCP相;藍虛線表示亞穩(wěn)態(tài)HCP和FCC的E(HCP) = E(FCC)，兩者的能量高于BCC。藍色實線將能量最低的HCP富Co相和FCC富Ni相分開 © 2023 The Authors

圖2 GRX-810顯微組織的高分辨率表征；a， STEM-EDS圖顯示在氧化物-基體界面處的C偏析。b, BF-STEM圖像顯示氧化物和位錯相互作用(黑色箭頭)和堆垛層錯的存在(紅色箭頭)。c, STEM-EDS結合顯示晶界和碳化物周圍的偏析。d, c基體集成線掃描(at.%)顯示晶界處Cr, W和Re的偏析以及Co和Ni的耗盡。e, GRX-810在[011]晶帶軸的HAADF-STEM圖像。f， e的快速傅里葉變換圖 © 2023 The Authors

圖3 鎳鉻合金的力學性能試驗。a、在1093°C時的工程應力-應變曲線。b、不同合金的極限抗拉強度比較。c、蠕變性能測試。d， GRX-810與常規(guī)高溫高溫合金AM718、625和H230蠕變性能的比較 © 2023 The Authors

圖4 1093°C和1200°C循環(huán)氧化性能。a,b, GRX-810和高溫合金718在1093°C (a)和1200°C (b)下循環(huán)氧化35小時的結果。c，高溫合金718試樣在1093℃和1200℃下分別經(jīng)過100 h和3 h氧化后的光學圖像。d, GRX-810樣品在1093°C和1200°C下熱循環(huán)100小時后的圖片。© 2023 The Authors

圖5 GRX-810與現(xiàn)有SOA AM高溫合金的持久壽命比較。1093℃高溫合金持久壽命散點圖。與目前3D打印高溫應用中使用的變形合金相比，GRX-810具有優(yōu)越的蠕變持久性能。© 2023 The Authors

成果啟示
本工作介紹了一種新型ODS合金GRX-810的設計，與現(xiàn)有的AM合金相比，它在極端環(huán)境下具有優(yōu)越的性能，可用于極端環(huán)境下的復雜部件。其先進性在于耦合了成份-工藝-性能的動態(tài)過程，并充分利用了模型驅動的3D打印設計策略。

論文詳情：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05893-0

本文由虛谷納物供稿。