美國(guó)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(qiáng)化鎳鈷鉻基合金

來(lái)源：微算云平臺(tái)

多主元合金，由于其令人印象深刻的機(jī)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(lái)自美國(guó)國(guó)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(dòng)的合金設(shè)計(jì)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(qiáng)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(guò)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(qiáng)度和延展性。克服強(qiáng)度-延展性折衷是由原子尺度變形機(jī)制引起的，例如局部可變的堆垛故障能和磁驅(qū)動(dòng)相變。這類合金還被證明是堅(jiān)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)減輕重量和高性能運(yùn)行。

一個(gè)特別引人注目的Cantor合金衍生物是中熵合金NiCoCr。這個(gè)合金家族在室溫下提供了Cantor合金及其衍生物中最高的強(qiáng)度。最新研究表明，這種合金在冷軋后經(jīng)過(guò)部分再結(jié)晶熱處理時(shí)表現(xiàn)出令人印象深刻的拉伸性能（室溫屈服強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度和延展性，這歸因于硼在晶界和間隙處的強(qiáng)化作用。近期的研究還發(fā)現(xiàn)，向MPEAs中添加碳可以提高強(qiáng)度。

最后，Wu等人發(fā)現(xiàn)，在NiCoCr合金中添加三個(gè)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(qiáng)度（超過(guò)1,000 MPa，而非合金化的NiCoCr為500 MPa），同時(shí)保持卓越的延展性超過(guò)50%。

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

對(duì)氧化物彌散強(qiáng)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(qiáng)度和蠕變）以及輻照性能。類似地，多個(gè)最近的研究成功地通過(guò)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(jī)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(guò)程在嘗試通過(guò)不同的增材制造（AM）方法或機(jī)器生產(chǎn)類似材料時(shí)都引入了復(fù)雜性和可重復(fù)性的問(wèn)題。Smith等人的最新研究通過(guò)L-PBF制備了ODS NiCoCr，其中納米尺度的Y2O3納米顆粒通過(guò)高能混合過(guò)程涂覆到NiCoCr金屬粉末上，無(wú)需任何粘結(jié)劑、流體或化學(xué)反應(yīng)。
這個(gè)過(guò)程沒(méi)有使粉末球形形態(tài)變形或受到影響，這對(duì)于高質(zhì)量的AM組件來(lái)說(shuō)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(qiáng)度提高了35%，延展性提高了三倍，相比其非ODS對(duì)照樣品。

在這里，研究者使用模型驅(qū)動(dòng)的合金設(shè)計(jì)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(qiáng)化鎳鈷鉻基合金。這種名為GRX-810的氧化物彌散強(qiáng)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(jī)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(gè)顯微結(jié)構(gòu)中。
研究者通過(guò)對(duì)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(gè)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(qiáng)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(dòng)的合金設(shè)計(jì)可以通過(guò)使用更少的資源，相較于過(guò)去的“試錯(cuò)法”方法，提供更優(yōu)越的組成。這些結(jié)果展示了將彌散強(qiáng)化與增材制造加工相結(jié)合的未來(lái)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(duì)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(cè)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(qiáng)化合金GRX-810的設(shè)計(jì)、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(guò)計(jì)算建模在合金設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了性能和加工性的平衡，高級(jí)表征揭示了其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)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(jí)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