研究背景

高熵合金，也稱多主元素合金（MPEA），在高溫和腐蝕性等極端環(huán)境仍具有優(yōu)異的抗氧化和機(jī)械性能，在航空航天和能源中的應(yīng)用潛力巨大。在Cantor合金及其衍生物中，NiCoCr在室溫下能提供的強(qiáng)度最高，且延展性特別優(yōu)異，這歸因于應(yīng)變誘導(dǎo)的面心立方（FCC）到六邊形封閉（HCP）相變和局部堆疊故障變化。研究發(fā)現(xiàn)，高熵合金NiCoCrFeMn中摻雜30?ppm的硼可顯著提高強(qiáng)度和延展性，在MPEA中添加碳可以提高強(qiáng)度，NiCoCr中添加三個(gè)原子百分比（at.%）的W可產(chǎn)生更精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)，大大提高合金延展性，因此，通過額外的合金化仍可以實(shí)現(xiàn)FCC MPEA系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。

研究成果

使用模型驅(qū)動(dòng)的合金設(shè)計(jì)和基于激光的增材制造（AM）工藝，開發(fā)了一種新的氧化物分散強(qiáng)化NiCoCr基合金GRX-810，GRX-810與傳統(tǒng)多晶鍛造鎳基合金相比，強(qiáng)度提高了2倍，蠕變性能提高了1000多倍，抗氧化性能提高了2倍。此研究表明分散強(qiáng)化和增材制造工藝可加速革命性材料的發(fā)現(xiàn)。??

此項(xiàng)研究工作以“A 3D printable alloy designed for extremeenvironments”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Na'tu're》上。

圖文速遞

一、GRX-810的微觀結(jié)構(gòu)表征

圖1提供了模型優(yōu)化的GRX-810合金的相平衡及成分預(yù)測(cè)，圖1b顯示，NiCoCr大部分組成空間，HCP是0K時(shí)能量最穩(wěn)定的相?，由于與FCC相關(guān)聯(lián)的更高對(duì)稱性和熵，預(yù)計(jì)這將在高溫下觀察到。

圖2提供了未經(jīng)測(cè)試的熱等靜壓（HIP）GRX-810粉末涂覆并通過AM固結(jié)后的高分辨率微觀結(jié)構(gòu)表征。圖2a顯示部分氧化物-基體界面存在碳偏析，低角度環(huán)形暗場(chǎng)（LAADF）–STEM DCI分析顯示了具有代表性的缺陷微觀結(jié)構(gòu)（圖2b）。還觀察到大量層錯(cuò)四面體的存在以及與氧化物的普遍位錯(cuò)相互作用。圖2c，d顯示了Cr、W和Re在晶界處的溶質(zhì)偏析，Ni和Co貧化，且存在富Nb/Ti金屬碳化物，熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)其在合金熔化溫度下是穩(wěn)定的。

?二、GRX-810的機(jī)械性能

在HIP條件下，對(duì)五種不同的MPEA合金（NiCoCr、NiCoCr ODS、ODS ReB、GRX-810和非ODS GRX-810）在1093°C下進(jìn)行拉伸/蠕變測(cè)試?，比較其整體高溫機(jī)械性能（圖3）。非ODS NiCoCr樣品比NiCoCr ODS樣品具有更低的強(qiáng)度和延展性。與NiCoCr相比，GRX-810提供了兩倍的強(qiáng)度和三倍以上的延展性。非ODS GRX-810的強(qiáng)度與GRX-810相當(dāng)?；w成分提高強(qiáng)度，氧化物提高韌性。蠕變?cè)囼?yàn)（圖3c、3d）顯示了GRX-810的氧化強(qiáng)化和模型驅(qū)動(dòng)成分組合對(duì)高溫蠕變強(qiáng)度的影響。

GRX-810的拉伸和蠕變性能提高歸因于其抗氧化性能的提高，循環(huán)氧化試驗(yàn)（圖4）顯示GRX-810在1100及 1200?℃下氧化耐久性高達(dá)35h。?

三、與當(dāng)前SOA AM合金的比較

圖5比較了NiCoCr-ODS（綠色）和添加Re、B的NiCoCr與（ODS-ReB）（藍(lán)色）、GRX-810（金）以及常規(guī)鍛造高溫合金（紅色）的高溫性能。納米級(jí)氧化物分散體的添加在基體中提供了足夠的強(qiáng)度，以避免位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高了機(jī)械和氧化性能，然而，ODS ReB和GRX-810的STEM分析沒有顯示氧化物尺寸或空間分布的任何顯著差異，這解釋了這兩種合金在蠕變性能上的差異。1,093?℃，20 MPa條件下空氣蠕變實(shí)驗(yàn)顯示， 其它ODS合金（例如，ODS-ReB）通過晶界蠕變孔隙聚結(jié)和剪切破壞的組合而屈服，但GRX-81在更長的測(cè)試時(shí)間后沒有觀察到明顯的晶界孔隙/缺陷，非ODS GRX-810甚至具有更高的強(qiáng)度，因此蠕變應(yīng)力是合金屈服應(yīng)力的較低部分。在GRX-810中，穩(wěn)定的MC碳化物和W、Cr和Re沿晶界的溶質(zhì)偏析是顯著有助于保護(hù)合金免受晶界失效機(jī)制影響的因素。添加W和R進(jìn)一步抑制沿晶界形成蠕變空洞，而Cr偏析有望改善晶界腐蝕和氧化性能。在ODS ReB（富Cr氮化物）和GRX-810（富Al和富Cr的氮化物）合金中也觀察到應(yīng)力誘導(dǎo)的氮化物形成。雖然這些內(nèi)部氮化物的形成被認(rèn)為是兩種合金性能的三元元素，但GRX-810中的氮化物似乎沒有像ODS-ReB合金中觀察到的那樣導(dǎo)致晶界失效。?

結(jié)論與展望

介紹了一種新型NiCoCr基ODS合金GRX-810的設(shè)計(jì)、表征和性能，與當(dāng)前AM合金相比，該合金在極端環(huán)境下具有優(yōu)越的性能。在合金設(shè)計(jì)中使用計(jì)算模型導(dǎo)致了一種能夠平衡性能和生產(chǎn)能力的成分，通過先進(jìn)表征可深入了解潛在的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制。在1093°C條件下，GRX-810蠕變性能?與目前使用的高溫合金相比具有數(shù)量級(jí)的改進(jìn)，從而使AM能夠在極端環(huán)境中用于復(fù)雜部件。

文獻(xiàn)鏈接:?

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