Nature最新：专为极端环境设计的新型3D打印合金

4月19日，NASA技术团队在Nature发表了关于最新开发的GRX-810超级合金的相关研究，涉及其微观结构、机械性能以及与当前同类型增材制造合金的比较。3D打印技术参考于去年4月首发了对该材料的解析，这是一种采用热力学计算和3D打印协同开发的具有突破性性能的新型高温合金，NASA团队目前已经成功采用粉末床熔融工艺实现了其制造，而与新材料开发相关的3D打印工艺则多是采用激光能量沉积。

多主元素合金具有强大的机械和抗氧化性能，尤其适合于极端环境使用。NASA团队使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发出了这种新材料——氧化物弥散强化型NiCoCr合金。无需机械或原位合金化，借助粉末床激光熔融工艺就可以将纳米级的Y 2 O 3颗粒分散到整个微观结构中，该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000 多倍的蠕变性能。这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。

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

将重量百分比为1%的Y2O3包覆在NiCoCr粉末颗粒上

多主元素合金又被成为高熵合金，具有高抗拉强度和延展性，在航空航天和能源等需要在高温和腐蚀性环境中使用的组件制造显示出巨大潜力。而氧化物弥散强化高熵合金则可以对后者的高温强度和蠕变性能等带来改善，以往在3D打印过程中引入弥散强化的手段通常是借助机械合金化、原位合金化或化学反应，但这些方法通常使过程变得复杂且可重复性存在不足。NASA团队使用了一种不需要任何粘结剂、流体或化学反应的高能混合过程，成功将纳米级的Y2O3涂覆到NiCoCr金属粉末上。此过程不会影响粉末球形形态，对于高质量粉末床3D打印制造至关重要。使用这种方法，研究人员3D打印出的新合金与之前相比，1093°C时的抗拉强度提高了35%，延展性提高了三倍。

在该研究的基础上，NASA团队采用相同的方法进一步优化了NiCoCr合金系统，研究证实了模型驱动的合金设计和3D打印工艺的成熟，可以生产具有以前传统制造技术无法实现特性的下一代材料。

研究使用的粉末原材料（粒径为10-53μm）与纳米级Y2O3（直径为100–200 nm，纯度为99.999%）使用高能声学混合器混合，然后使用筛网去除大的氧化物或金属粉末颗粒。研究探索了NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS，添加少量Re (1.5 wt%) 和B (0.03wt%) (ODS-ReB)的合金。

1093°C高温拉伸试验显示了五种合金的强度和伸长率差异，发现非ODS NiCoCr样品的强度和延展性低于NiCoCr-ODS样品。事实上，通过简单地掺入Y2O3颗粒，NiCoCr的强度增加了，延展性提高了两倍。这突出了这些氧化物在高温下提供的强化效果。向NiCoCr-ODS中少量添加Re和B似乎略微提高了合金的强度。值得注意的是，与其他ODS合金相比，GRX-810显示出更高的强度和延展性；事实上，GRX-810提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为一种性能更高的高温合金。一个令人惊讶的结果是，非ODS GRX-810的强度，尽管延展性有限（与非ODS NiCoCr合金相比），但其似乎与成品GRX-810的强度相当。这一发现表明强度的提高是由于基础成分，而氧化物是延展性提高的来源。

GRX-810、非ODS GRX-810、锻造Haynes 230、锻造625和718相比，不同合金之间的强度和伸长率方面几乎没有差异，尽管与其他三种合金相比，GRX-810确实提供了略高的抗拉强度。HIP室温测试提供了一些强度变化，因为ODS合金能够在该处理步骤后保持更高的强度。打印态和HIP GRX-810在不同温度下的拉伸性能显示了两个值得注意的观察结果：首先，与 HIP GRX-810 相比，打印态的GRX-810始终提供更高的强度；其次，GRX-810提供了意想不到的低温拉伸性能，表明纳米级氧化物在这些低温下不会对合金强度产生不利影响。

GRX-810和NiCoCr成分空间的建模

a.测试材料在1093°C 下的工程应力-应变曲线；b.不同合金之间的极限抗拉强度比较；c. 1093°C下的蠕变曲线；d .包括与GRX-810 曲线的相同测试

1093°C和1200°C下的循环氧化结果

GRX-810的蠕变断裂寿命与当前的增材制造高温合金对比

蠕变试验也在1093°C下进行以比较这些合金的性能。数据显示，在1093 °C和20MPa下，HIP GRX-810在蠕变6500小时后破裂，而打印态样品在1%应变（超过2800 小时）时终止，其他非ODS合金在40小时内破裂。

与NiCoCr基体和NiCoCr-ODS合金相比，GRX-810表现出显著改善的蠕变断裂性能。此外，与目前最先进的增材制造高温合金（超级合金718、625和Haynes 230）相比，GRX-810在1093°C下的蠕变寿命提高了几个数量级。

总之，NASA研究团队介绍了一种新型NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与当前的合金相比，它在极端环境中具有卓越的性能。在合金设计中使用计算模型产生了一种平衡性能和可加工性的成分，先进的表征可以深入了解底层的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1093 °C 下的蠕变性能提高了几个数量级，从而能够3D打印制造在极端环境中使用的复杂部件。