《Nature》：一種專為極端環(huán)境設(shè)計的新型3D打印合金

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

美國國家航空航天局(NASA)和俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊在3D打印高溫材料方面取得了突破，這種材料可能會為飛機(jī)和航天器制造出更堅固、更耐用的部件。相關(guān)研究以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題發(fā)表在《Nature》上。論文中詳細(xì)介紹了新合金GRX-810的特性。GRX-810是在NASA的“TTT”項目下開發(fā)的，得到了該機(jī)構(gòu)的研發(fā)計劃支持。

多主元素合金由于其優(yōu)異的機(jī)械和抗氧化性能，特別是在極端環(huán)境中，是一種有利的材料。本文中，研究人員利用熱力學(xué)建模方法和激光增材制造技術(shù)開發(fā)了一種新的氧化物彌散強(qiáng)化鎳鉻合金。這種氧化物彌散強(qiáng)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(jié)構(gòu)中，而無需使用機(jī)械或原位合金化等資源密集型加工步驟。研究人員通過對其微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率表征，展示了納米級氧化物在GRX-810構(gòu)建體積中的成功結(jié)合和分散。這種制造過程比傳統(tǒng)的制造方法更高效、更經(jīng)濟(jì)、更清潔。在1093℃的高溫下，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(qiáng)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。這種高溫合金有潛力顯著提高航空和太空探索中使用的零部件的強(qiáng)度和韌性。這些結(jié)果表明，利用彌散強(qiáng)化與增材制造工藝相結(jié)合的未來合金開發(fā)可以加速革命性材料的研發(fā)。

高熵合金，通常也被稱為多主元素合金(MPEA)。研究最多的MPEA家族之一是Cantor合金CoCrFeMnNi及其衍生物。Cantor合金衍生物中熵合金NiCoCr。在Cantor合金及其衍生物中，該合金家族在室溫下提供最高的強(qiáng)度。

較于傳統(tǒng)“試錯”實驗，研究團(tuán)隊采用節(jié)省時間的計算機(jī)建模，以及激光3D打印工藝，將金屬一層一層地融合在一起，創(chuàng)造出新的合金。他們用這種方法制作了上圖中NASA的標(biāo)志。圖片來源:NASA/ Jordan Salkin

GRX-810是一種氧化物彌散強(qiáng)化合金。換句話說，散布在合金各處的含有氧原子的微小顆粒增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。這種合金是制造用于高溫應(yīng)用的航空部件的極佳候選者，比如飛機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)部的部件，因為它們在達(dá)到斷裂點之前可以承受更惡劣的條件。
目前最先進(jìn)的3D打印高溫合金可以承受高達(dá)2000華氏度的溫度。與這些相比，GRX-810的強(qiáng)度是它們的兩倍，耐用性是它們的1000倍以上，抗氧化性是它們的兩倍。

上圖這個渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室(燃料-空氣混合器)是在NASA Glenn 3D打印的，是一個具有挑戰(zhàn)性的組件的一個例子，可以從新的GRX-810合金中受到更多應(yīng)用。來源：NASA

氧化物彌散強(qiáng)化(ODS) MPEA的高溫性能(強(qiáng)度和蠕變)和輻照性能得到了改善，研究人員通過L-PBF生產(chǎn)ODS NiCoCr，其中納米級Y2O3納米顆粒通過高能混合過程涂覆在NiCoCr金屬粉末上，不需要任何粘合劑、流體或化學(xué)反應(yīng)。該過程不會變形或影響粉末的球形形貌，這對于高質(zhì)量的增材制造部件非常重要。使用這種方法，作者生產(chǎn)出了一種ODS合金，與非ODS合金相比，在1093°C時抗拉強(qiáng)度提高了35%，延展性提高了三倍。
GRX-810的顯微組織表征

圖1給出了模型優(yōu)化后的GRX-810合金的預(yù)測相平衡及其成分(基于重量百分比)。圖2提供了未經(jīng)測試的熱等靜壓(HIP) GRX-810粉末經(jīng)過AM包覆和固結(jié)后的高分辨率顯微組織特征。

圖1:GRX-810和NiCoCr構(gòu)成空間的建模。

圖2:GRX-810顯微結(jié)構(gòu)的高分辨率表征。

GRX-810的力學(xué)性能
五種不同的MPEA合金(NiCoCr, NiCoCr- ods, ODS-ReB, GRX-810和非ODS GRX-810)在制造和HIP條件下在1093°C下進(jìn)行拉伸/蠕變測試，以比較它們的整體高溫力學(xué)性能。還對AM 718, AM 625和鍛造Haynes 230進(jìn)行了試驗，以與AM中廣泛使用的傳統(tǒng)鍛造高溫合金進(jìn)行比較。圖3顯示了這些合金在1093℃時的拉伸性能和20mpa蠕變性能。

圖3: NiCoCr基合金的力學(xué)測試。

與高溫合金718相比，GRX-810的抗氧化性能得到了改善，這可能是GRX-810拉伸和蠕變性能得到改善的原因之一。圖4顯示了GRX-810和高溫合金718在1100°C和1200°C下長達(dá)35 h的循環(huán)氧化試驗結(jié)果。在1093°C的暴露過程中，觀察到每種合金的重量損失歸因于從測試溫度空氣淬火時氧化物的剝落。結(jié)果表明，在1093℃時，GRX-810的氧化耐久性優(yōu)于AM高溫合金718，在1200℃時，GRX-810的氧化耐久性明顯優(yōu)于AM高溫合金718，而在1200℃時，AM高溫合金718幾乎已經(jīng)報廢。

圖4:1093°C和1200°C下的循環(huán)氧化試驗結(jié)果。

與當(dāng)前SOA AM合金的比較
此外，與目前最先進(jìn)的(SOA) AM高溫合金(高溫合金718、高溫合金625和Haynes 230)相比，GRX-810在1093°C時的蠕變壽命可以提高幾個數(shù)量級。為了進(jìn)一步說明這種改進(jìn)，這些合金和其他市售高溫合金的1093°C蠕變斷裂壽命如圖5所示。

圖5:成品GRX-810與現(xiàn)有SOA AM高溫合金的蠕變斷裂壽命對比。

圖5中的曲線圖比較了NiCoCr-ODS(綠色)和添加了Re和B的NiCoCr (ODS-ReB)(藍(lán)色)、GRX-810(金色)和AM中常用的常規(guī)變形高溫合金(紅色)的高溫性能。在圖3中，GRX-810的抗拉強(qiáng)度雖然有明顯的提高，但其蠕變性能更加顯著。

總之，研究人員提出了一種新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的設(shè)計、表征和性能，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。在合金設(shè)計中使用計算建模產(chǎn)生了平衡性能和可加工性的成分，具有先進(jìn)的表征，可以深入了解潛在的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕變性能有了數(shù)量級的提高，從而可以將AM用于極端環(huán)境下的復(fù)雜部件。

這些合金對未來的可持續(xù)飛行具有重要意義。例如，當(dāng)用于噴氣發(fā)動機(jī)時，該合金的更高溫度和更高的耐用性轉(zhuǎn)化為更少的燃料消耗和更低的操作和維護(hù)成本。這種合金還為發(fā)動機(jī)部件設(shè)計師提供了新的靈活性，比如更輕的材料，以及巨大的性能改進(jìn)。

相關(guān)論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0