美国宇航局格伦研究中心Nature：3D打印极端环境服役材料

虚谷纳物 9个月前 (05-07) 3713浏览

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2GRX-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