3D打印重磅Nature！强度提高2倍，蠕变性能提高1,000倍！

新型3D打印合金可承受极端条件

高熵合金通常也被称为多主元素合金（MPEA）。这类材料已经成为冶金界关注的焦点。在过去的十年中，许多科学研究发现了这些合金所表现出的显着性能。其中，氧化物分散强化（ODS）MPEA在高温下的性能，如强度和蠕变，以及辐照特性得到了改善。最近，多项研究已成功使用各种技术通过激光粉末床熔融（L-PBF）生产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并掺入三维（3D）打印基质中。然而，当尝试通过不同的增材制造（AM）方法或机器生产类似的材料时，所有这些过程都会带来复杂性和可重复性问题。

基于此，美国宇航局格伦研究中心的Timothy M. Smith使用模型驱动的合金设计方法和激光快速制造技术，开发了一种新的氧化-分散-强化镍钴基合金。这种被称为GRX-810的氧化物分散强化合金，使用激光粉末床熔融技术将纳米级Y2O3颗粒分散到整个微观结构中。GRX-810在1,093℃下与传统多晶锻造镍基合金相比，其强度提高了2倍，蠕变性能提高了1,000倍，抗氧化性提高了2倍。这些结果展示了未来的合金开发是如何利用分散强化与增材制造加工相结合，加速发现革命性的材料。相关成果以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”为题发表在最新一期《Nature》上，Timothy M. Smith是改文章的通讯兼一作。

GRX-810的微观结构表征

图1提供了基于重量百分比的模型优化的GRX-810合金及其成分的预测相平衡。图1b中的相图显示，对于NiCoCr大部分成分，HCP是0 K时能量最稳定的相。

图 1：GRX-810 建模和 NiCoCr 成分空间

在图2a中沿着一些（但不是所有）的氧化物-基体界面存在碳偏析。图2b所示的附加低角度环形暗场（LAADF）-STEM DCI分析显示了一个有代表性的缺陷微观结构。图2c,d显示了Cr、W和Re在晶界的溶质偏析，而Ni和Co则被耗尽。图2c中的EDS图也显示了富含Nb/Ti的金属碳化物的存在，根据热力学模型的预测，这些碳化物在合金熔化温度之前是稳定的。对GRX-810晶格进行高分辨率的高角度环形暗场分析，以探索该合金中是否存在局部化学排序。图2e,f中的分析表明，尽管拥有L12形成元素，如Al、Ti和Nb，但晶格保持了完美的固溶体，不存在短程元素排序。

图 2：GRX-810 微结构的高分辨率表征

GRX-810的机械性能

作者对五种不同的MPEA合金（镍钴铬、镍钴铬-ODS、ODS-ReB、GRX-810和非ODS GRX-810）在1,093℃进行拉伸和/或蠕变测试，以比较其整体高温机械性能。图3a显示了高温拉伸试验（1,093℃），突出了所测试的五种合金的强度和伸长率的差异。发现非ODS镍钴合金样品的强度和延展性都比镍钴合金-ODS样品低。事实上，通过简单地加入Y2O3颗粒，镍钴合金的强度得到了提高，延展性也提高了两倍。这突出了这些氧化物在高温下所提供的强化效果。与其他ODS合金相比，GRX-810显示出更高的强度和延展性；与NiCoCr相比，GRX-810提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为更坚固的高温合金。与其他合金的比较见图3b。

为了比较这些合金的性能，还在1,093℃下进行了蠕变试验。图3c,d还显示了GRX-810的氧化物强化和模型驱动的组合成分对高温蠕变强度的影响。在1,093 °C和20 MPa，HIP GRX-810在6,500小时的蠕变后断裂，而所有的非ODS合金都在40小时内断裂。

图 3：NiCoCr 基合金的机械测试

GRX-810的拉伸和蠕变性能得到改善的一个解释是，与Superalloy 718相比，观察到其抗氧化性的改善。在图4中，GRX-810和Superalloy 718在1,100和1,200 °C下进行的循环氧化试验结果显示。在1,093 °C的暴露期间，每一种合金观察到的重量损失都归因于从试验温度空气淬火时的氧化物剥落。然而，这里显示的结果表明，GRX-810在1,093℃时的氧化耐久性优于AM超合金718。

图 4：1,093 和 1,200°C 下的循环氧化结果

与当前 SOA 增材制造合金的比较

与目前最先进的 (SOA) 增材制造高温合金相比，GRX-810 在 1,093°C 下的蠕变寿命提高了几个数量级。为了进一步说明这种改进，这些合金和其他市售超级合金的 1,093°C 蠕变断裂寿命一起绘制在图 5 中。图5中的图表比较了NiCoCr-ODS（绿色）和添加了Re和B的NiCoCr（ODS-ReB）（蓝色）、GRX-810（金色）和AM中常用的传统锻造超合金（红色）的高温性能。在图3中，尽管GRX-810明显显示出拉伸强度的提高，但其蠕变性能更加明显和显著。很明显，纳米级氧化物分散体的加入为基体提供了足够的强度以避免位错运动，从而导致了机械和氧化性能的改善。

图 5：与当前 SOA 增材制造高温合金相比，成品 GRX-810 的蠕变断裂寿命

小结

总之，作者介绍了一种新的镍钴铬基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与目前的AM合金相比，它在极端环境下具有优异的性能。在合金设计中使用计算模型导致了一种平衡性能和可加工性的成分，先进的表征使人们对潜在的微观结构和机制有了深入了解。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1,093℃下的蠕变性能显示出数量级的改善，从而能够在极端环境中的复杂部件中使用。

来源：材料学网