美國格倫研究中心：使用3D打印技術開發(fā)一種新的氧化物彌散強化鎳鈷鉻基合金

來源：微算云平臺

多主元合金，由于其令人印象深刻的機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，來自美國國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動的合金設計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化鎳鈷鉻基合金。相關論文以題為“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），是當前冶金界感興趣的一類材料。在過去的十年中，許多科學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)異的應變硬化特性，表現(xiàn)出高拉伸強度和延展性。克服強度-延展性折衷是由原子尺度變形機制引起的，例如局部可變的堆垛故障能和磁驅動相變。這類合金還被證明是堅固耐用的，能夠抵御氫環(huán)境脆化，表現(xiàn)出改進的輻照性能，并在低溫下提供卓越的強度。
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，可以實現(xiàn)減輕重量和高性能運行。

一個特別引人注目的Cantor合金衍生物是中熵合金NiCoCr。這個合金家族在室溫下提供了Cantor合金及其衍生物中最高的強度。最新研究表明，這種合金在冷軋后經(jīng)過部分再結晶熱處理時表現(xiàn)出令人印象深刻的拉伸性能（室溫屈服強度達到1,100 MPa）。

這些性能還歸因于應變誘導的面心立方（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NiCoCr合金添加了耐燒蝕元素和間隙元素進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硼可以顯著改善強度和延展性，這歸因于硼在晶界和間隙處的強化作用。近期的研究還發(fā)現(xiàn)，向MPEAs中添加碳可以提高強度。

最后，Wu等人發(fā)現(xiàn)，在NiCoCr合金中添加三個原子百分比（at.%）的鎢可以創(chuàng)建細小的晶粒結構（平均晶粒尺寸1 μm），從而顯著提高合金的屈服強度（超過1,000 MPa，而非合金化的NiCoCr為500 MPa），同時保持卓越的延展性超過50%。

這些結果表明，通過進一步的合金化，仍然可以在FCC MPEA系統(tǒng)中實現(xiàn)顯著的改進。

對氧化物彌散強化（ODS）中熵合金進行的研究已經(jīng)顯示出在高溫下的性能改善（強度和蠕變）以及輻照性能。類似地，多個最近的研究成功地通過激光粉末床熔化（L-PBF）使用各種技術制備了ODS合金。這些方法依賴于機械合金化、原位合金化或化學反應，將氧化物引入和合并到三維（3D）打印的基質(zhì)中。
然而，所有這些過程在嘗試通過不同的增材制造（AM）方法或機器生產(chǎn)類似材料時都引入了復雜性和可重復性的問題。Smith等人的最新研究通過L-PBF制備了ODS NiCoCr，其中納米尺度的Y2O3納米顆粒通過高能混合過程涂覆到NiCoCr金屬粉末上，無需任何粘結劑、流體或化學反應。
這個過程沒有使粉末球形形態(tài)變形或受到影響，這對于高質(zhì)量的AM組件來說是重要的。使用這種方法，這些作者制備了一種ODS合金，在1,093 °C下，其拉伸強度提高了35%，延展性提高了三倍，相比其非ODS對照樣品。

在這里，研究者使用模型驅動的合金設計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化鎳鈷鉻基合金。這種名為GRX-810的氧化物彌散強化合金采用激光粉末床熔化技術，在不使用資源密集型的機械或原位合金化等加工步驟的情況下，將納米尺度的Y2O3顆粒分散到整個顯微結構中。
研究者通過對GRX-810構件微觀結構的高分辨率表征，展示了納米尺度氧化物在整個GRX-810構件體積中的成功引入和分散。GRX-810的力學性能結果顯示，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動的合金設計可以通過使用更少的資源，相較于過去的“試錯法”方法，提供更優(yōu)越的組成。這些結果展示了將彌散強化與增材制造加工相結合的未來合金開發(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GRX-810微觀結構的高分辨率表征

圖3 NiCoCr 基合金的力學性能測試

圖4 循環(huán)氧化的結果是在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的氧化物分散強化合金GRX-810的設計、表征和性能，相較于當前的AM合金，在極端環(huán)境下具有卓越的性能。通過計算建模在合金設計中的應用，實現(xiàn)了性能和加工性的平衡，高級表征揭示了其微觀結構和機制。GRX-810在1,093 °C的蠕變性能較當前使用的高溫合金有數(shù)量級的改善，從而使得AM在極端環(huán)境下，可以應用于復雜部件的制造。

文獻信息：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