美国格伦研究中心：使用3D打印技术开发一种新的氧化物弥散强化镍钴铬基合金

来源：微算云平台

多主元合金，由于其令人印象深刻的机械性能和抗氧化性能，特别是在极端环境中，是一类有利的材料。

在此，来自美国国家航空航天局格伦研究中心的Timothy M. Smith等研究者使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的三维打印，开发了一种新的氧化物弥散强化镍钴铬基合金。相关论文以题为“A 3D printable alloy designed for extreme environments”于2023年04月19日发表在Nature上。

高熵合金，也被称为多主元素合金（MPEAs），是当前冶金界感兴趣的一类材料。在过去的十年中，许多科学研究揭示了这些合金表现出的非凡性能。其中，最广泛研究的MPEA家族之一是Cantor合金CoCrFeMnNi及其衍生物。

这组合金具有优异的应变硬化特性，表现出高拉伸强度和延展性。克服强度-延展性折衷是由原子尺度变形机制引起的，例如局部可变的堆垛故障能和磁驱动相变。这类合金还被证明是坚固耐用的，能够抵御氢环境脆化，表现出改进的辐照性能，并在低温下提供卓越的强度。
因此，这些合金在提高温度和腐蚀环境下展现出巨大的潜力，可以实现减轻重量和高性能运行。

一个特别引人注目的Cantor合金衍生物是中熵合金NiCoCr。这个合金家族在室温下提供了Cantor合金及其衍生物中最高的强度。最新研究表明，这种合金在冷轧后经过部分再结晶热处理时表现出令人印象深刻的拉伸性能（室温屈服强度达到1,100 MPa）。

这些性能还归因于应变诱导的面心立方（FCC）到六方最密堆积（HCP）的相变和局部堆垛故障的变化。近期，还对NiCoCr合金添加了耐烧蚀元素和间隙元素进行了合金化和掺杂研究。

Seol等人发现，将高熵合金NiCoCrFeMn掺杂30 ppm硼可以显著改善强度和延展性，这归因于硼在晶界和间隙处的强化作用。近期的研究还发现，向MPEAs中添加碳可以提高强度。

最后，Wu等人发现，在NiCoCr合金中添加三个原子百分比（at.%）的钨可以创建细小的晶粒结构（平均晶粒尺寸1 μm），从而显著提高合金的屈服强度（超过1,000 MPa，而非合金化的NiCoCr为500 MPa），同时保持卓越的延展性超过50%。

这些结果表明，通过进一步的合金化，仍然可以在FCC MPEA系统中实现显著的改进。

对氧化物弥散强化（ODS）中熵合金进行的研究已经显示出在高温下的性能改善（强度和蠕变）以及辐照性能。类似地，多个最近的研究成功地通过激光粉末床熔化（L-PBF）使用各种技术制备了ODS合金。这些方法依赖于机械合金化、原位合金化或化学反应，将氧化物引入和合并到三维（3D）打印的基质中。
然而，所有这些过程在尝试通过不同的增材制造（AM）方法或机器生产类似材料时都引入了复杂性和可重复性的问题。Smith等人的最新研究通过L-PBF制备了ODS NiCoCr，其中纳米尺度的Y2O3纳米颗粒通过高能混合过程涂覆到NiCoCr金属粉末上，无需任何粘结剂、流体或化学反应。
这个过程没有使粉末球形形态变形或受到影响，这对于高质量的AM组件来说是重要的。使用这种方法，这些作者制备了一种ODS合金，在1,093 °C下，其拉伸强度提高了35%，延展性提高了三倍，相比其非ODS对照样品。

在这里，研究者使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的三维打印，开发了一种新的氧化物弥散强化镍钴铬基合金。这种名为GRX-810的氧化物弥散强化合金采用激光粉末床熔化技术，在不使用资源密集型的机械或原位合金化等加工步骤的情况下，将纳米尺度的Y2O3颗粒分散到整个显微结构中。
研究者通过对GRX-810构件微观结构的高分辨率表征，展示了纳米尺度氧化物在整个GRX-810构件体积中的成功引入和分散。GRX-810的力学性能结果显示，与传统多晶液态态镍基合金相比，在1,093 °C下，其强度提高了两倍以上，蠕变性能提高了1000倍以上，氧化抗性提高了两倍。
这种合金的成功突显了模型驱动的合金设计可以通过使用更少的资源，相较于过去的“试错法”方法，提供更优越的组成。这些结果展示了将弥散强化与增材制造加工相结合的未来合金开发如何加速革命性材料的发现。

图1 GRX-810与 NiCoCr 组分空间的模拟

图2 对GRX-810微观结构的高分辨率表征

图3 NiCoCr 基合金的力学性能测试

图4 循环氧化的结果是在1,093和1,200 °C

图5 GRX-810与现有 SOA AM 高温合金的蠕变断裂寿命比较

总之，研究者介绍了一种新型基于NiCoCr的氧化物分散强化合金GRX-810的设计、表征和性能，相较于当前的AM合金，在极端环境下具有卓越的性能。通过计算建模在合金设计中的应用，实现了性能和加工性的平衡，高级表征揭示了其微观结构和机制。GRX-810在1,093 °C的蠕变性能较当前使用的高温合金有数量级的改善，从而使得AM在极端环境下，可以应用于复杂部件的制造。

文献信息：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

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0