頂刊：增材制造新型高溫合金再獲突破！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

編輯推薦：高溫合金應(yīng)用于航天航空的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其傳統(tǒng)制造工藝十分繁瑣。金屬3D打印作為數(shù)字化制造的生力軍有望顛覆這一現(xiàn)狀。然而，大部分傳統(tǒng)高溫合金會(huì)在打印過(guò)程中產(chǎn)生大量的微觀(guān)缺陷從而無(wú)法付諸應(yīng)用。因此，新型高溫合金的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

2021年，牛津大學(xué)的Reed 研究組通過(guò)合金設(shè)計(jì)方法（Alloys-By-Design/ABD）成功設(shè)計(jì)出兩款新型可增材制造的高性能高溫合金。這兩款新型合金的氧化層均為氧化鉻（Chromia-forming），想要提高材料的抗溫與持久能力，氧化鋁（Alumina-forming）作為氧化層的新合金還有待開(kāi)發(fā)。近期，該組研究者們?cè)俅纬晒υO(shè)計(jì)了此類(lèi)新合金。它具有更高的強(qiáng)化相比例分?jǐn)?shù)且不會(huì)在打印中產(chǎn)生微裂紋，并通過(guò)調(diào)控(Nb+Ta)/Al 比例獲得最優(yōu)的抗氧化性與力學(xué)性能。該成果以“A New Class of Alumina-Forming Superalloys for 3D printing”發(fā)表于近期的增材制造頂刊《Additive Manufacturing》，通訊作者為牛津大學(xué)湯元博博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102608

高溫合金在極端環(huán)境具有長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這與它的抗氧化性是密不可分的。此種材料在高溫作用下會(huì)迅速通過(guò)氧氣與鉻（Cr）或者鋁（Al）形成致密的氧化層從而保護(hù)基體不被繼續(xù)氧化。通過(guò)氧化層的成分可以劃分為含Cr或含Al元素高溫合金。例如IN718，Waspaloy等都屬于前者，而CMSX-4或者CM247LC則屬于后者。由于含Cr的氧化層在1000 °C以上會(huì)不穩(wěn)定，容易碎裂或揮發(fā)從而失去保護(hù)性，因此應(yīng)用溫度低于含Al合金。

該工作中，研究者們通過(guò)ABD方法設(shè)計(jì)了三種成分的含Al高溫合金，并通過(guò)調(diào)控(Nb+Ta)/Al 比例使平衡態(tài)伽馬一撇相比例分?jǐn)?shù)維持為0.5（900 °C）。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)三種材料測(cè)試了其工藝加工性，以及不同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能，蠕變性能，抗氧化性等，同時(shí)以CM247LC合金作為標(biāo)桿進(jìn)行比較。

圖一：三種新型合金在打印后有少許氣孔但沒(méi)有微裂紋，而CM247LC產(chǎn)生了大量微裂紋。

圖二：微觀(guān)X射線(xiàn)斷層掃描兩種材料打印的渦輪部件。新合金與CM247LC都在表面附近有大量氣孔，這是由于表層的激光參數(shù)導(dǎo)致的。通過(guò)分析可以看到CM247LC的內(nèi)部開(kāi)裂密集且成片狀。

圖三：不同熱處理?xiàng)l件下的微觀(guān)組織。通過(guò)原子探針手段（APT）可以看出不同(Nb+Ta)/Al比例對(duì)伽馬一撇強(qiáng)化相的成分有影響，預(yù)示其力學(xué)性能也會(huì)因此變化。

圖四：兩種不同的熱處理的力學(xué)測(cè)試。過(guò)固溶（super-solvus）導(dǎo)致材料脆化，而亞固溶（sub-solvus）可以獲得可觀(guān)的強(qiáng)度與延展。

圖五：亞固溶熱處理下的力學(xué)性能對(duì)比。

圖六：不同熱處理下的蠕變性能對(duì)比。

圖七： 1000°C氧化實(shí)驗(yàn)對(duì)比。新型高溫合金（1 & 2）的抗氧化性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CM247LC合金。

圖八：800 °C氧化助斷裂（Oxidation assisted cracking）性能對(duì)比。新合金（1 & 2）受氧化影響較小。

圖九：不同(Nb+Ta)/Al比例的多維性能優(yōu)化圖

綜上所述，三種不同(Nb+Ta)/Al比例的含Al新型高溫合金被成功設(shè)計(jì)，且3D打印后不會(huì)形成微裂紋。其中超固溶熱處理會(huì)導(dǎo)致材料在高溫脆化，而亞固溶則可以保持相當(dāng)?shù)母邷匮诱购蛷?qiáng)度。提高(Nb+Ta)/Al比例可以增加材料強(qiáng)度，然而也會(huì)降低抗氧化性能，其具體比例應(yīng)該由應(yīng)用條件而選擇。此項(xiàng)工作證實(shí)了多維度性能優(yōu)化在材料設(shè)計(jì)中的重要性，為今后增材制造高溫合金的發(fā)展提供了指南。