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(qiáng)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(xué)、抗氧化、抗輻照性能，所以這類材料在航空航天以及能源應(yīng)用方面極具前景。局部可變層錯(cuò)能，應(yīng)力誘導(dǎo)的相變等都是高熵合金克服強(qiáng)塑性相互排斥的有力微觀機(jī)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(xué)性能。彌散氧化物強(qiáng)化中熵合金(ODS)具有優(yōu)異的高溫蠕變，強(qiáng)度以及抗輻照性能。最近的多項(xiàng)研究已經(jīng)成功地利用各種技術(shù)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(jī)械合金化、原位合金化或化學(xué)反應(yīng)將氧化物引入三維(3D)打印基體。然而，當(dāng)試圖通過不同的增材制造(AM)方法或機(jī)器生產(chǎn)類似的材料時(shí)，所有這些過程都會(huì)引入復(fù)雜性和可重復(fù)性問題。該過程不會(huì)變形或影響粉末的球形形貌，這對(duì)于高質(zhì)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(shí)抗拉強(qiáng)度提高了35%，延展性提高了三倍。這項(xiàng)研究通過引入模型驅(qū)動(dòng)的方法，制備了ODS合金，并研究了其高溫力學(xué)性能。

成果掠影

最近，來自美國(guó)宇航局格倫研究中心的Timothy M. Smith研究員利用模型驅(qū)動(dòng)合金設(shè)計(jì)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增強(qiáng)NiCoCr基合金。這種氧化物分散強(qiáng)化合金，稱為GRX-810，使用激光粉末床熔合將納米級(jí)Y2O3顆粒分散到整個(gè)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。通過對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率表征，展示了納米級(jí)氧化物在GRX-810構(gòu)建體積中的成功結(jié)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(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。這種合金的成功突出了模型驅(qū)動(dòng)合金設(shè)計(jì)策略，與過去的“試錯(cuò)”方法相比，具有明顯的先進(jìn)性。因此，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發(fā)現(xiàn)。相關(guān)成果以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題發(fā)表在國(guó)際綜合頂刊Nature上。

核心創(chuàng)新點(diǎn)
(1) 提出模型驅(qū)動(dòng)3D打印合金設(shè)計(jì)策略；

(2) 獲得了在1093℃下，比傳統(tǒng)多晶變形鎳基合金強(qiáng)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(shí)NiCoCr三元相圖計(jì)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(lán)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(lán)色實(shí)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(cuò)相互作用(黑色箭頭)和堆垛層錯(cuò)的存在(紅色箭頭)。c, STEM-EDS結(jié)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(xué)性能試驗(yàn)。a、在1093°C時(shí)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b、不同合金的極限抗拉強(qiáng)度比較。c、蠕變性能測(cè)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(shí)的結(jié)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(xué)圖像。d, GRX-810樣品在1093°C和1200°C下熱循環(huán)100小時(shí)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(diǎn)圖。與目前3D打印高溫應(yīng)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(shè)計(jì)，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(fù)雜部件。其先進(jìn)性在于耦合了成份-工藝-性能的動(dòng)態(tài)過程，并充分利用了模型驅(qū)動(dòng)的3D打印設(shè)計(jì)策略。

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

本文由虛谷納物供稿。