頂刊：增材制造新型高溫合金再獲突破！

來源：材料科學與工程

編輯推薦：高溫合金應用于航天航空的關鍵結構件，其傳統(tǒng)制造工藝十分繁瑣。金屬3D打印作為數(shù)字化制造的生力軍有望顛覆這一現(xiàn)狀。然而，大部分傳統(tǒng)高溫合金會在打印過程中產(chǎn)生大量的微觀缺陷從而無法付諸應用。因此，新型高溫合金的設計勢在必行。

2021年，牛津大學的Reed 研究組通過合金設計方法（Alloys-By-Design/ABD）成功設計出兩款新型可增材制造的高性能高溫合金。這兩款新型合金的氧化層均為氧化鉻（Chromia-forming），想要提高材料的抗溫與持久能力，氧化鋁（Alumina-forming）作為氧化層的新合金還有待開發(fā)。近期，該組研究者們再次成功設計了此類新合金。它具有更高的強化相比例分數(shù)且不會在打印中產(chǎn)生微裂紋，并通過調(diào)控(Nb+Ta)/Al 比例獲得最優(yōu)的抗氧化性與力學性能。該成果以“A New Class of Alumina-Forming Superalloys for 3D printing”發(fā)表于近期的增材制造頂刊《Additive Manufacturing》，通訊作者為牛津大學湯元博博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102608

高溫合金在極端環(huán)境具有長期的結構穩(wěn)定性，這與它的抗氧化性是密不可分的。此種材料在高溫作用下會迅速通過氧氣與鉻（Cr）或者鋁（Al）形成致密的氧化層從而保護基體不被繼續(xù)氧化。通過氧化層的成分可以劃分為含Cr或含Al元素高溫合金。例如IN718，Waspaloy等都屬于前者，而CMSX-4或者CM247LC則屬于后者。由于含Cr的氧化層在1000 °C以上會不穩(wěn)定，容易碎裂或揮發(fā)從而失去保護性，因此應用溫度低于含Al合金。

該工作中，研究者們通過ABD方法設計了三種成分的含Al高溫合金，并通過調(diào)控(Nb+Ta)/Al 比例使平衡態(tài)伽馬一撇相比例分數(shù)維持為0.5（900 °C）。通過大量實驗，對三種材料測試了其工藝加工性，以及不同熱處理條件下的力學性能，蠕變性能，抗氧化性等，同時以CM247LC合金作為標桿進行比較。

圖一：三種新型合金在打印后有少許氣孔但沒有微裂紋，而CM247LC產(chǎn)生了大量微裂紋。

圖二：微觀X射線斷層掃描兩種材料打印的渦輪部件。新合金與CM247LC都在表面附近有大量氣孔，這是由于表層的激光參數(shù)導致的。通過分析可以看到CM247LC的內(nèi)部開裂密集且成片狀。

圖三：不同熱處理條件下的微觀組織。通過原子探針手段（APT）可以看出不同(Nb+Ta)/Al比例對伽馬一撇強化相的成分有影響，預示其力學性能也會因此變化。

圖四：兩種不同的熱處理的力學測試。過固溶（super-solvus）導致材料脆化，而亞固溶（sub-solvus）可以獲得可觀的強度與延展。

圖五：亞固溶熱處理下的力學性能對比。

圖六：不同熱處理下的蠕變性能對比。

圖七： 1000°C氧化實驗對比。新型高溫合金（1 & 2）的抗氧化性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CM247LC合金。

圖八：800 °C氧化助斷裂（Oxidation assisted cracking）性能對比。新合金（1 & 2）受氧化影響較小。

圖九：不同(Nb+Ta)/Al比例的多維性能優(yōu)化圖

綜上所述，三種不同(Nb+Ta)/Al比例的含Al新型高溫合金被成功設計，且3D打印后不會形成微裂紋。其中超固溶熱處理會導致材料在高溫脆化，而亞固溶則可以保持相當?shù)母邷匮诱购蛷姸�。提�?Nb+Ta)/Al比例可以增加材料強度，然而也會降低抗氧化性能，其具體比例應該由應用條件而選擇。此項工作證實了多維度性能優(yōu)化在材料設計中的重要性，為今后增材制造高溫合金的發(fā)展提供了指南。