《Nature》：一种专为极端环境设计的新型3D打印合金

来源：长三角G60激光联盟

美国国家航空航天局(NASA)和俄亥俄州立大学的研究团队在3D打印高温材料方面取得了突破，这种材料可能会为飞机和航天器制造出更坚固、更耐用的部件。相关研究以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”为题发表在《Nature》上。论文中详细介绍了新合金GRX-810的特性。GRX-810是在NASA的“TTT”项目下开发的，得到了该机构的研发计划支持。

多主元素合金由于其优异的机械和抗氧化性能，特别是在极端环境中，是一种有利的材料。本文中，研究人员利用热力学建模方法和激光增材制造技术开发了一种新的氧化物弥散强化镍铬合金。这种氧化物弥散强化合金，称为GRX-810，使用激光粉末床熔合将纳米级Y2O3颗粒分散到整个微观结构中，而无需使用机械或原位合金化等资源密集型加工步骤。研究人员通过对其微观结构的高分辨率表征，展示了纳米级氧化物在GRX-810构建体积中的成功结合和分散。这种制造过程比传统的制造方法更高效、更经济、更清洁。在1093℃的高温下，与广泛用于增材制造的传统多晶变形镍基合金相比，GRX-810合金的强度提高了两倍，蠕变性能提高了1000倍以上，抗氧化性能提高了两倍。这种高温合金有潜力显著提高航空和太空探索中使用的零部件的强度和韧性。这些结果表明，利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发可以加速革命性材料的研发。

高熵合金，通常也被称为多主元素合金(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，该合金家族在室温下提供最高的强度。

较于传统“试错”实验，研究团队采用节省时间的计算机建模，以及激光3D打印工艺，将金属一层一层地融合在一起，创造出新的合金。他们用这种方法制作了上图中NASA的标志。图片来源:NASA/ Jordan Salkin

GRX-810是一种氧化物弥散强化合金。换句话说，散布在合金各处的含有氧原子的微小颗粒增强了合金的强度。这种合金是制造用于高温应用的航空部件的极佳候选者，比如飞机和火箭发动机内部的部件，因为它们在达到断裂点之前可以承受更恶劣的条件。
目前最先进的3D打印高温合金可以承受高达2000华氏度的温度。与这些相比，GRX-810的强度是它们的两倍，耐用性是它们的1000倍以上，抗氧化性是它们的两倍。

上图这个涡轮发动机燃烧室(燃料-空气混合器)是在NASA Glenn 3D打印的，是一个具有挑战性的组件的一个例子，可以从新的GRX-810合金中受到更多应用。来源：NASA

氧化物弥散强化(ODS) MPEA的高温性能(强度和蠕变)和辐照性能得到了改善，研究人员通过L-PBF生产ODS NiCoCr，其中纳米级Y2O3纳米颗粒通过高能混合过程涂覆在NiCoCr金属粉末上，不需要任何粘合剂、流体或化学反应。该过程不会变形或影响粉末的球形形貌，这对于高质量的增材制造部件非常重要。使用这种方法，作者生产出了一种ODS合金，与非ODS合金相比，在1093°C时抗拉强度提高了35%，延展性提高了三倍。
GRX-810的显微组织表征

图1给出了模型优化后的GRX-810合金的预测相平衡及其成分(基于重量百分比)。图2提供了未经测试的热等静压(HIP) GRX-810粉末经过AM包覆和固结后的高分辨率显微组织特征。

图1:GRX-810和NiCoCr构成空间的建模。

图2:GRX-810显微结构的高分辨率表征。

GRX-810的力学性能
五种不同的MPEA合金(NiCoCr, NiCoCr- ods, ODS-ReB, GRX-810和非ODS GRX-810)在制造和HIP条件下在1093°C下进行拉伸/蠕变测试，以比较它们的整体高温力学性能。还对AM 718, AM 625和锻造Haynes 230进行了试验，以与AM中广泛使用的传统锻造高温合金进行比较。图3显示了这些合金在1093℃时的拉伸性能和20mpa蠕变性能。

图3: NiCoCr基合金的力学测试。

与高温合金718相比，GRX-810的抗氧化性能得到了改善，这可能是GRX-810拉伸和蠕变性能得到改善的原因之一。图4显示了GRX-810和高温合金718在1100°C和1200°C下长达35 h的循环氧化试验结果。在1093°C的暴露过程中，观察到每种合金的重量损失归因于从测试温度空气淬火时氧化物的剥落。结果表明，在1093℃时，GRX-810的氧化耐久性优于AM高温合金718，在1200℃时，GRX-810的氧化耐久性明显优于AM高温合金718，而在1200℃时，AM高温合金718几乎已经报废。

图4:1093°C和1200°C下的循环氧化试验结果。

与当前SOA AM合金的比较
此外，与目前最先进的(SOA) AM高温合金(高温合金718、高温合金625和Haynes 230)相比，GRX-810在1093°C时的蠕变寿命可以提高几个数量级。为了进一步说明这种改进，这些合金和其他市售高温合金的1093°C蠕变断裂寿命如图5所示。

图5:成品GRX-810与现有SOA AM高温合金的蠕变断裂寿命对比。

图5中的曲线图比较了NiCoCr-ODS(绿色)和添加了Re和B的NiCoCr (ODS-ReB)(蓝色)、GRX-810(金色)和AM中常用的常规变形高温合金(红色)的高温性能。在图3中，GRX-810的抗拉强度虽然有明显的提高，但其蠕变性能更加显著。

总之，研究人员提出了一种新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与现有的AM合金相比，它在极端环境下具有优越的性能。在合金设计中使用计算建模产生了平衡性能和可加工性的成分，具有先进的表征，可以深入了解潜在的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕变性能有了数量级的提高，从而可以将AM用于极端环境下的复杂部件。

这些合金对未来的可持续飞行具有重要意义。例如，当用于喷气发动机时，该合金的更高温度和更高的耐用性转化为更少的燃料消耗和更低的操作和维护成本。这种合金还为发动机部件设计师提供了新的灵活性，比如更轻的材料，以及巨大的性能改进。

相关论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0