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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
高熵合金，通常也被稱為多主元素合金(MPEAs)，是目前冶金界倍感興趣的一類材料。在過去的十年中，許多科學研究揭示了這些合金所表現出的非凡特性。研究最多的MPEA家族之一是CoCrFeMnNi合金及其衍生物。這組合金表現出優異的應變硬化，從而具有較高的拉伸強度和延展性。這類合金也被證明是堅固的，能抵抗氫環境的脆化，表現出更好的輻照性能，并在低溫下提供卓越的強度。因此，這些合金在高溫和腐蝕性環境中的眾多航空航天和能源應用中顯示出巨大的潛力，可以減輕重量并提高性能。
然而，MPES系統的發展仍存在以下問題：
1、FCC MPEA系統可通過額外的合金化來實現顯著的改進
近年來，研究者們發現，在高熵合金NiCoCrFeMn中摻雜30ppm的硼，可以顯著提高其強度和延展性，添加碳可以提高強度，添加W可以大大提高合金的屈服強度。
2、增材制造或機器生產制備合金存在復雜性和可重復性問題
最近的多項研究已經成功地利用各種技術通過激光粉末床熔合(L-PBF)生產了ODS合金，然而，當試圖通過不同的增材制造方法或機器生產類似的材料時，所有這些過程都會引入復雜性和可重復性問題。
有鑒于此，美國宇航局格倫研究中心Timothy M. Smith（一作加通訊）等人采用模型驅動合金設計方法和激光增材制造技術開發了一種新的氧化物彌散增強鎳鉻合金。這種氧化物分散強化合金，稱為GRX-810，使用激光粉末床熔合將納米級Y2O3顆粒分散到整個微觀結構中，而無需使用機械或原位合金化等資源密集型加工步驟。通過對其微觀結構的高分辨率表征，展示了納米級氧化物在GRX-810構建體中成功嵌入和分散。力學結果顯示，在1093°C，與廣泛用于增材制造的傳統多晶變形鎳基合金相比，GRX-810的強度提高了兩倍，蠕變性能提高了1000倍以上，抗氧化性能提高了兩倍。這種合金的成功突出了模型驅動合金設計可以使用更少的資源提供更卓越的組分，利用彌散強化與增材制造工藝相結合的未來合金開發可以加速革命性材料的發現。
技術方案：
1、展示了GRX-810模型優化結構及纖維組織表征
作者展示了模型優化后的GRX-810合金的預測相平衡及其成分，并表征了GRX-810粉末經過AM包覆和固結后的高分辨率顯微組織特征。
2、表征了GRX-810的力學性能
作者在1093°C下對不同的MPEA合金進行了拉伸和/或蠕變測試，證明了GRX-810的高溫力學性能和穩定性。
3、比較了與當前SOA AM合金的性能
與NiCoCr和NiCoCr- ods合金相比，GRX-810合金的蠕變斷裂性能明顯改善，蠕變壽命可以提高幾個數量級，抗拉強度明顯的提高。此外，作者還分析了不同合金蠕變性能的失效機制。
技術優勢：
1、開發了模型驅動合金設計的方法
作者采用模型驅動合金設計方法和激光增材制造技術開發了一種新的氧化物彌散增強鎳鉻合金，實現了使用較少資源實現卓越的組分。
2、獲得了在極端溫度下具有顯著增強機械性能的合金
在1093°C，與傳統多晶變形鎳基合金相比，作者制備的GRX-810的強度提高了兩倍，蠕變性能提高了1000倍以上，抗氧化性能提高了兩倍。
3、獲得了一種長壽命氧化物彌散強化合金
GRX-810可以承受超過1000℃的溫度，更具延展性，比現有最先進的合金壽命長1000倍以上。
技術細節
GRX-810的顯微組織表征
作者展示了模型優化后的GRX-810合金的預測相平衡及其成分以及未經測試的熱等靜壓(HIP) GRX-810粉末經過AM包覆和固結后的高分辨率顯微組織特征。結果表明沿著一些(但不是全部)氧化基界面存在碳偏析，LAADF-STEM DCI分析顯示了具有代表性的缺陷微觀結構。此外，還觀察到存在大量的堆積-錯誤四面體和普遍的位錯與氧化物的相互作用。疊錯四面體進一步抑制了位錯運動，進一步改善了合金的蠕變和拉伸性能。盡管晶格中含有Al、Ti和Nb等L12形成元素，但晶格仍保持完美的固溶體狀態，不存在短程元素有序現象。
圖 GRX-810和NiCoCr合成空間的建模
圖 GRX-810顯微組織的高分辨率表征
GRX-810的力學性能
作者對五種不同的MPEA合金在制造和HIP條件下在1093°C下進行拉伸和/或蠕變測試，并比較它們的整體高溫力學性能。結果表明，通過簡單地加入Y2O3顆粒，NiCoCr的強度提高了兩倍，延展性提高了兩倍，突出了這些氧化物在高溫下提供的強化作用。與NiCoCr相比，GRX-810的強度是NiCoCr的兩倍，延展性是NiCoCr的三倍以上，使其成為一種更堅固的高溫合金，同時還具有高的蠕變性能和抗氧化性能。與NiCoCr相比，建成后的GRX-810持續了近2500小時，壽命提高了近2000倍，NiCoCr僅持續了1小時多一點。
圖 鎳鉻合金的力學性能試驗
圖 在1093°C和1200°C循環氧化
與當前SOA AM合金的比較
與NiCoCr和NiCoCr- ods合金相比，GRX-810合金的蠕變斷裂性能明顯改善。此外，與目前最先進的(SOA) AM高溫合金相比，GRX-810在1093°C時的蠕變壽命可以提高幾個數量級。GRX-810的抗拉強度雖然有明顯的提高，但其蠕變性能更加明顯和顯著，這是因為納米級氧化物分散體的加入為基體提供了足夠的強度，以避免位錯運動，從而改善了機械性能和氧化性能。為了更好地解釋GRX-810的蠕變強度，作者進一步對空氣蠕變試驗的縱斷面進行了分析，結果表明其他ODS合金的失效是由于晶界蠕變空洞合并和剪切破壞的結合，而GRX-810抑制了這些破壞機制。
圖 成品GRX-810與現有SOA AM高溫合金的蠕變斷裂壽命比較
總之，作者提出了一種新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的設計，表征和性能，與現有的AM合金相比，它在極端環境下具有優越的性能。在合金設計中使用計算建模導致了平衡性能和可加工性的成分，具有先進的表征，可以深入了解潛在的微觀結構和機制。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕變性能有了數量級的提高，從而可以將AM用于極端環境下的復雜部件。
參考文獻：
Smith, T.M., Kantzos, C.A., Zarkevich, N.A. et al. A 3D printable alloy designed for extreme environments. Nature (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-05893-0
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05893-0
