4月19日，NASA技術(shù)團(tuán)隊在Nature發(fā)表了關(guān)于最新開發(fā)的GRX-810超級合金的相關(guān)研究，涉及其微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能以及與當(dāng)前同類型增材制造合金的比較。3D打印技術(shù)參考于去年4月首發(fā)了對該材料的解析，這是一種采用熱力學(xué)計算和3D打印協(xié)同開發(fā)的具有突破性性能的新型高溫合金，NASA團(tuán)隊目前已經(jīng)成功采用粉末床熔融工藝實現(xiàn)了其制造，而與新材料開發(fā)相關(guān)的3D打印工藝則多是采用激光能量沉積。

多主元素合金具有強(qiáng)大的機(jī)械和抗氧化性能，尤其適合于極端環(huán)境使用。NASA團(tuán)隊使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計方法和基于激光的增材制造開發(fā)出了這種新材料——氧化物彌散強(qiáng)化型NiCoCr合金。無需機(jī)械或原位合金化，借助粉末床激光熔融工藝就可以將納米級的Y 2 O 3顆粒分散到整個微觀結(jié)構(gòu)中，該材料展示了在1093°C下與廣泛使用的增材制造傳統(tǒng)多晶變形鎳基合金增強(qiáng)兩倍的強(qiáng)度和抗氧化性，以及提高了1000 多倍的蠕變性能。這種合金的成功開發(fā)顯示出與過去的“試錯”方法相比，模型驅(qū)動的合金設(shè)計能夠使用更少的資源實現(xiàn)更佳的材料組分組成，展示了利用彌散強(qiáng)化與增材制造工藝相結(jié)合的未來合金開發(fā)將加速革命性材料的出現(xiàn)。

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

將重量百分比為1%的Y2O3包覆在NiCoCr粉末顆粒上

多主元素合金又被成為高熵合金，具有高抗拉強(qiáng)度和延展性，在航空航天和能源等需要在高溫和腐蝕性環(huán)境中使用的組件制造顯示出巨大潛力。而氧化物彌散強(qiáng)化高熵合金則可以對后者的高溫強(qiáng)度和蠕變性能等帶來改善，以往在3D打印過程中引入彌散強(qiáng)化的手段通常是借助機(jī)械合金化、原位合金化或化學(xué)反應(yīng)，但這些方法通常使過程變得復(fù)雜且可重復(fù)性存在不足。NASA團(tuán)隊使用了一種不需要任何粘結(jié)劑、流體或化學(xué)反應(yīng)的高能混合過程，成功將納米級的Y2O3涂覆到NiCoCr金屬粉末上。此過程不會影響粉末球形形態(tài)，對于高質(zhì)量粉末床3D打印制造至關(guān)重要。使用這種方法，研究人員3D打印出的新合金與之前相比，1093°C時的抗拉強(qiáng)度提高了35%，延展性提高了三倍。

在該研究的基礎(chǔ)上，NASA團(tuán)隊采用相同的方法進(jìn)一步優(yōu)化了NiCoCr合金系統(tǒng)，研究證實了模型驅(qū)動的合金設(shè)計和3D打印工藝的成熟，可以生產(chǎn)具有以前傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)特性的下一代材料。

研究使用的粉末原材料（粒徑為10-53μm）與納米級Y2O3（直徑為100–200 nm，純度為99.999%）使用高能聲學(xué)混合器混合，然后使用篩網(wǎng)去除大的氧化物或金屬粉末顆粒。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高溫拉伸試驗顯示了五種合金的強(qiáng)度和伸長率差異，發(fā)現(xiàn)非ODS NiCoCr樣品的強(qiáng)度和延展性低于NiCoCr-ODS樣品。事實上，通過簡單地?fù)饺隮2O3顆粒，NiCoCr的強(qiáng)度增加了，延展性提高了兩倍。這突出了這些氧化物在高溫下提供的強(qiáng)化效果。向NiCoCr-ODS中少量添加Re和B似乎略微提高了合金的強(qiáng)度。值得注意的是，與其他ODS合金相比，GRX-810顯示出更高的強(qiáng)度和延展性；事實上，GRX-810提供了兩倍的強(qiáng)度和三倍以上的延展性，使其成為一種性能更高的高溫合金。一個令人驚訝的結(jié)果是，非ODS GRX-810的強(qiáng)度，盡管延展性有限（與非ODS NiCoCr合金相比），但其似乎與成品GRX-810的強(qiáng)度相當(dāng)。這一發(fā)現(xiàn)表明強(qiáng)度的提高是由于基礎(chǔ)成分，而氧化物是延展性提高的來源。

GRX-810、非ODS GRX-810、鍛造Haynes 230、鍛造625和718相比，不同合金之間的強(qiáng)度和伸長率方面幾乎沒有差異，盡管與其他三種合金相比，GRX-810確實提供了略高的抗拉強(qiáng)度。HIP室溫測試提供了一些強(qiáng)度變化，因為ODS合金能夠在該處理步驟后保持更高的強(qiáng)度。打印態(tài)和HIP GRX-810在不同溫度下的拉伸性能顯示了兩個值得注意的觀察結(jié)果：首先，與 HIP GRX-810 相比，打印態(tài)的GRX-810始終提供更高的強(qiáng)度；其次，GRX-810提供了意想不到的低溫拉伸性能，表明納米級氧化物在這些低溫下不會對合金強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

GRX-810和NiCoCr成分空間的建模

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a.測試材料在1093°C 下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b.不同合金之間的極限抗拉強(qiáng)度比較；c. 1093°C下的蠕變曲線；d .包括與GRX-810 曲線的相同測試

1093°C和1200°C下的循環(huán)氧化結(jié)果

GRX-810的蠕變斷裂壽命與當(dāng)前的增材制造高溫合金對比

蠕變試驗也在1093°C下進(jìn)行以比較這些合金的性能。數(shù)據(jù)顯示，在1093 °C和20MPa下，HIP GRX-810在蠕變6500小時后破裂，而打印態(tài)樣品在1%應(yīng)變（超過2800 小時）時終止，其他非ODS合金在40小時內(nèi)破裂。

與NiCoCr基體和NiCoCr-ODS合金相比，GRX-810表現(xiàn)出顯著改善的蠕變斷裂性能。此外，與目前最先進(jìn)的增材制造高溫合金（超級合金718、625和Haynes 230）相比，GRX-810在1093°C下的蠕變壽命提高了幾個數(shù)量級。

總之，NASA研究團(tuán)隊介紹了一種新型NiCoCr基ODS合金GRX-810的設(shè)計、表征和性能，與當(dāng)前的合金相比，它在極端環(huán)境中具有卓越的性能。在合金設(shè)計中使用計算模型產(chǎn)生了一種平衡性能和可加工性的成分，先進(jìn)的表征可以深入了解底層的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1093 °C 下的蠕變性能提高了幾個數(shù)量級，從而能夠3D打印制造在極端環(huán)境中使用的復(fù)雜部件。

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