美国宇航局格伦研究中心Nature：3D打印极端环境服役材料

一、导读

高熵和中熵合金具有非常优异的力学、抗氧化、抗辐照性能，所以这类材料在航空航天以及能源应用方面极具前景。局部可变层错能，应力诱导的相变等都是高熵合金克服强塑性相互排斥的有力微观机制。向中熵合金中掺杂其它元素，例如B，W和O等，将极大地提高其力学性能。弥散氧化物强化中熵合金(ODS)具有优异的高温蠕变，强度以及抗辐照性能。最近的多项研究已经成功地利用各种技术通过激光粉末床熔合(L-PBF)制备ODS合金。这些方法依赖于利用机械合金化、原位合金化或化学反应将氧化物引入三维(3D)打印基体。然而，当试图通过不同的增材制造(AM)方法或机器生产类似的材料时，所有这些过程都会引入复杂性和可重复性问题。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。使用这种方法制备的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。这项研究通过引入模型驱动的方法，制备了ODS合金，并研究了其高温力学性能。

二、成果掠影

最近，来自美国宇航局格伦研究中心的Timothy M. Smith研究员利用模型驱动合金设计方法和激光增材制造技术开发了一种新的氧化物弥散增强NiCoCr基合金。这种氧化物分散强化合金，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。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。在1093℃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。这种合金的成功突出了模型驱动合金设计策略，与过去的“试错”方法相比，具有明显的先进性。因此，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发现。相关成果以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”为题发表在国际综合顶刊Nature上。

三、核心创新点

(1) 提出模型驱动3D打印合金设计策略；

(2) 获得了在1093℃下，比传统多晶变形镍基合金强度高两倍，蠕变性能提高了1000倍以上，抗氧化性能提高了两倍的GRX-810新合金；

四、数据概览

图1 GRX-810和NiCoCr合成成份空间的建模；a， GRX-810的相稳定性。b、0 K时NiCoCr三元相图计算。a、体心立方(BCC)富Cr相的能量低于红线上方的FCC或HCP相;蓝虚线表示亚稳态HCP和FCC的E(HCP) = E(FCC)，两者的能量高于BCC。蓝色实线将能量最低的HCP富Co相和FCC富Ni相分开 © 2023 The Authors

图2 GRX-810显微组织的高分辨率表征；a， STEM-EDS图显示在氧化物-基体界面处的C偏析。b, BF-STEM图像显示氧化物和位错相互作用(黑色箭头)和堆垛层错的存在(红色箭头)。c, STEM-EDS结合显示晶界和碳化物周围的偏析。d, c基体集成线扫描(at.%)显示晶界处Cr, W和Re的偏析以及Co和Ni的耗尽。e, GRX-810在[011]晶带轴的HAADF-STEM图像。f， e的快速傅里叶变换图 © 2023 The Authors

图3 镍铬合金的力学性能试验。a、在1093°C时的工程应力-应变曲线。b、不同合金的极限抗拉强度比较。c、蠕变性能测试。d， GRX-810与常规高温高温合金AM718、625和H230蠕变性能的比较 © 2023 The Authors

图4 1093°C和1200°C循环氧化性能。a,b, GRX-810和高温合金718在1093°C (a)和1200°C (b)下循环氧化35小时的结果。c，高温合金718试样在1093℃和1200℃下分别经过100 h和3 h氧化后的光学图像。d, GRX-810样品在1093°C和1200°C下热循环100小时后的图片。© 2023 The Authors

图5 GRX-810与现有SOA AM高温合金的持久寿命比较。1093℃高温合金持久寿命散点图。与目前3D打印高温应用中使用的变形合金相比，GRX-810具有优越的蠕变持久性能。© 2023 The Authors

五、成果启示

本工作介绍了一种新型ODS合金GRX-810的设计，与现有的AM合金相比，它在极端环境下具有优越的性能，可用于极端环境下的复杂部件。其先进性在于耦合了成份-工艺-性能的动态过程，并充分利用了模型驱动的3D打印设计策略。

论文详情：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05893-0

本文由虚谷纳物供稿.