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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
高熵合金，通常也被称为多主元素合金(MPEAs)，是目前冶金界倍感兴趣的一类材料。在过去的十年中，许多科学研究揭示了这些合金所表现出的非凡特性。研究最多的MPEA家族之一是CoCrFeMnNi合金及其衍生物。这组合金表现出优异的应变硬化，从而具有较高的拉伸强度和延展性。这类合金也被证明是坚固的，能抵抗氢环境的脆化，表现出更好的辐照性能，并在低温下提供卓越的强度。因此，这些合金在高温和腐蚀性环境中的众多航空航天和能源应用中显示出巨大的潜力，可以减轻重量并提高性能。
然而，MPES系统的发展仍存在以下问题：
1、FCC MPEA系统可通过额外的合金化来实现显著的改进
近年来，研究者们发现，在高熵合金NiCoCrFeMn中掺杂30ppm的硼，可以显著提高其强度和延展性，添加碳可以提高强度，添加W可以大大提高合金的屈服强度。
2、增材制造或机器生产制备合金存在复杂性和可重复性问题
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)生产了ODS合金，然而，当试图通过不同的增材制造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。
有鉴于此，美国宇航局格伦研究中心Timothy M. Smith（一作加通讯）等人采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镍铬合金。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构建体中成功嵌入和分散。力学结果显示，在1093°C，与广泛用于增材制造的传统多晶变形镍基合金相比，GRX-810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可以使用更少的资源提供更卓越的组分，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。
技术方案：
1、展示了GRX-810模型优化结构及纤维组织表征
作者展示了模型优化后的GRX-810合金的预测相平衡及其成分，并表征了GRX-810粉末经过AM包覆和固结后的高分辨率显微组织特征。
2、表征了GRX-810的力学性能
作者在1093°C下对不同的MPEA合金进行了拉伸和/或蠕变测试，证明了GRX-810的高温力学性能和稳定性。
3、比较了与当前SOA AM合金的性能
与NiCoCr和NiCoCr- ods合金相比，GRX-810合金的蠕变断裂性能明显改善，蠕变寿命可以提高几个数量级，抗拉强度明显的提高。此外，作者还分析了不同合金蠕变性能的失效机制。
技术优势：
1、开发了模型驱动合金设计的方法
作者采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镍铬合金，实现了使用较少资源实现卓越的组分。
2、获得了在极端温度下具有显著增强机械性能的合金
在1093°C，与传统多晶变形镍基合金相比，作者制备的GRX-810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。
3、获得了一种长寿命氧化物弥散强化合金
GRX-810可以承受超过1000℃的温度，更具延展性，比现有最先进的合金寿命长1000倍以上。
技术细节
GRX-810的显微组织表征
作者展示了模型优化后的GRX-810合金的预测相平衡及其成分以及未经测试的热等静压(HIP) GRX-810粉末经过AM包覆和固结后的高分辨率显微组织特征。结果表明沿着一些(但不是全部)氧化基界面存在碳偏析，LAADF-STEM DCI分析显示了具有代表性的缺陷微观结构。此外，还观察到存在大量的堆积-错误四面体和普遍的位错与氧化物的相互作用。叠错四面体进一步抑制了位错运动，进一步改善了合金的蠕变和拉伸性能。尽管晶格中含有Al、Ti和Nb等L12形成元素，但晶格仍保持完美的固溶体状态，不存在短程元素有序现象。
图 GRX-810和NiCoCr合成空间的建模
图 GRX-810显微组织的高分辨率表征
GRX-810的力学性能
作者对五种不同的MPEA合金在制造和HIP条件下在1093°C下进行拉伸和/或蠕变测试，并比较它们的整体高温力学性能。结果表明，通过简单地加入Y2O3颗粒，NiCoCr的强度提高了两倍，延展性提高了两倍，突出了这些氧化物在高温下提供的强化作用。与NiCoCr相比，GRX-810的强度是NiCoCr的两倍，延展性是NiCoCr的三倍以上，使其成为一种更坚固的高温合金，同时还具有高的蠕变性能和抗氧化性能。与NiCoCr相比，建成后的GRX-810持续了近2500小时，寿命提高了近2000倍，NiCoCr仅持续了1小时多一点。
图 镍铬合金的力学性能试验
图 在1093°C和1200°C循环氧化
与当前SOA AM合金的比较
与NiCoCr和NiCoCr- ods合金相比，GRX-810合金的蠕变断裂性能明显改善。此外，与目前最先进的(SOA) AM高温合金相比，GRX-810在1093°C时的蠕变寿命可以提高几个数量级。GRX-810的抗拉强度虽然有明显的提高，但其蠕变性能更加明显和显著，这是因为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，从而改善了机械性能和氧化性能。为了更好地解释GRX-810的蠕变强度，作者进一步对空气蠕变试验的纵断面进行了分析，结果表明其他ODS合金的失效是由于晶界蠕变空洞合并和剪切破坏的结合，而GRX-810抑制了这些破坏机制。
图 成品GRX-810与现有SOA AM高温合金的蠕变断裂寿命比较
总之，作者提出了一种新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计，表征和性能，与现有的AM合金相比，它在极端环境下具有优越的性能。在合金设计中使用计算建模导致了平衡性能和可加工性的成分，具有先进的表征，可以深入了解潜在的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕变性能有了数量级的提高，从而可以将AM用于极端环境下的复杂部件。
参考文献：
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
