新型3D打印合金可承受極端條件

新型3D打印合金可承受極端條件

高熵合金通常也被稱為多主元素合金（MPEA）。這類材料已經(jīng)成為冶金界關(guān)注的焦點(diǎn)。在過去的十年中，許多科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了這些合金所表現(xiàn)出的顯著性能。其中，氧化物分散強(qiáng)化（ODS）MPEA在高溫下的性能，如強(qiáng)度和蠕變，以及輻照特性得到了改善。最近，多項(xiàng)研究已成功使用各種技術(shù)通過激光粉末床熔融（L-PBF）生產(chǎn)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)將氧化物引入并摻入三維（3D）打印基質(zhì)中。然而，當(dāng)嘗試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，所有這些過程都會帶來復(fù)雜性和可重復(fù)性問題。

基于此，美國宇航局格倫研究中心的Timothy M. Smith使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計(jì)方法和激光快速制造技術(shù)，開發(fā)了一種新的氧化-分散-強(qiáng)化鎳鈷基合金。這種被稱為GRX-810的氧化物分散強(qiáng)化合金，使用激光粉末床熔融技術(shù)將納米級Y2O3顆粒分散到整個微觀結(jié)構(gòu)中。GRX-810在1，093℃下與傳統(tǒng)多晶鍛造鎳基合金相比，其強(qiáng)度提高了2倍，蠕變性能提高了1，000倍，抗氧化性提高了2倍。這些結(jié)果展示了未來的合金開發(fā)是如何利用分散強(qiáng)化與增材制造加工相結(jié)合，加速發(fā)現(xiàn)革命性的材料。相關(guān)成果以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題發(fā)表在最新一期《Nature》上，Timothy M. Smith是改文章的通訊兼一作。

GRX-810的微觀結(jié)構(gòu)表征圖1提供了基于重量百分比的模型優(yōu)化的GRX-810合金及其成分的預(yù)測相平衡。圖1b中的相圖顯示，對于NiCoCr大部分成分，HCP是0 K時能量最穩(wěn)定的相。

圖 1：GRX-810 建模和 NiCoCr 成分空間在圖2a中沿著一些（但不是所有）的氧化物-基體界面存在碳偏析。圖2b所示的附加低角度環(huán)形暗場（LAADF）-STEM DCI分析顯示了一個有代表性的缺陷微觀結(jié)構(gòu)。圖2c，d顯示了Cr、W和Re在晶界的溶質(zhì)偏析，而Ni和Co則被耗盡。圖2c中的EDS圖也顯示了富含Nb/Ti的金屬碳化物的存在，根據(jù)熱力學(xué)模型的預(yù)測，這些碳化物在合金熔化溫度之前是穩(wěn)定的。對GRX-810晶格進(jìn)行高分辨率的高角度環(huán)形暗場分析，以探索該合金中是否存在局部化學(xué)排序。圖2e，f中的分析表明，盡管擁有L12形成元素，如Al、Ti和Nb，但晶格保持了完美的固溶體，不存在短程元素排序。

圖 2：GRX-810 微結(jié)構(gòu)的高分辨率表征GRX-810的機(jī)械性能作者對五種不同的MPEA合金（鎳鈷鉻、鎳鈷鉻-ODS、ODS-ReB、GRX-810和非ODS GRX-810）在1，093℃進(jìn)行拉伸和/或蠕變測試，以比較其整體高溫機(jī)械性能。圖3a顯示了高溫拉伸試驗(yàn)（1，093℃），突出了所測試的五種合金的強(qiáng)度和伸長率的差異。發(fā)現(xiàn)非ODS鎳鈷合金樣品的強(qiáng)度和延展性都比鎳鈷合金-ODS樣品低。事實(shí)上，通過簡單地加入Y2O3顆粒，鎳鈷合金的強(qiáng)度得到了提高，延展性也提高了兩倍。這突出了這些氧化物在高溫下所提供的強(qiáng)化效果。與其他ODS合金相比，GRX-810顯示出更高的強(qiáng)度和延展性；與NiCoCr相比，GRX-810提供了兩倍的強(qiáng)度和三倍以上的延展性，使其成為更堅(jiān)固的高溫合金。與其他合金的比較見圖3b。為了比較這些合金的性能，還在1，093℃下進(jìn)行了蠕變試驗(yàn)。圖3c，d還顯示了GRX-810的氧化物強(qiáng)化和模型驅(qū)動的組合成分對高溫蠕變強(qiáng)度的影響。在1，093 °C和20 MPa，HIP GRX-810在6，500小時的蠕變后斷裂，而所有的非ODS合金都在40小時內(nèi)斷裂。

圖 3：NiCoCr 基合金的機(jī)械測試GRX-810的拉伸和蠕變性能得到改善的一個解釋是，與Superalloy 718相比，觀察到其抗氧化性的改善。在圖4中，GRX-810和Superalloy 718在1，100和1，200 °C下進(jìn)行的循環(huán)氧化試驗(yàn)結(jié)果顯示。在1，093 °C的暴露期間，每一種合金觀察到的重量損失都?xì)w因于從試驗(yàn)溫度空氣淬火時的氧化物剝落。然而，這里顯示的結(jié)果表明，GRX-810在1，093℃時的氧化耐久性優(yōu)于AM超合金718。

圖 4：1，093 和 1，200°C 下的循環(huán)氧化結(jié)果與當(dāng)前 SOA 增材制造合金的比較與目前最先進(jìn)的 （SOA） 增材制造高溫合金相比，GRX-810 在 1，093°C 下的蠕變壽命提高了幾個數(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超級合金的 1，093°C 蠕變斷裂壽命一起繪制在圖 5 中。圖5中的圖表比較了NiCoCr-ODS（綠色）和添加了Re和B的NiCoCr（ODS-ReB）（藍(lán)色）、GRX-810（金色）和AM中常用的傳統(tǒng)鍛造超合金（紅色）的高溫性能。在圖3中，盡管GRX-810明顯顯示出拉伸強(qiáng)度的提高，但其蠕變性能更加明顯和顯著。很明顯，納米級氧化物分散體的加入為基體提供了足夠的強(qiáng)度以避免位錯運(yùn)動，從而導(dǎo)致了機(jī)械和氧化性能的改善。

圖 5：與當(dāng)前 SOA 增材制造高溫合金相比，成品 GRX-810 的蠕變斷裂壽命小結(jié)總之，作者介紹了一種新的鎳鈷鉻基ODS合金GRX-810的設(shè)計(jì)、表征和性能，與目前的AM合金相比，它在極端環(huán)境下具有優(yōu)異的性能。在合金設(shè)計(jì)中使用計(jì)算模型導(dǎo)致了一種平衡性能和可加工性的成分，先進(jìn)的表征使人們對潛在的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制有了深入了解。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1，093℃下的蠕變性能顯示出數(shù)量級的改善，從而能夠在極端環(huán)境中的復(fù)雜部件中使用。

審核編輯 ：李倩