拉伸強度超1000GPa，新型3D打印高溫合金900℃高溫下性能依然出色

2025年9月26日，南極熊獲悉，國外研究人員在《材料與設計》（*Materials & Design*）期刊上發(fā)表的研究中，介紹了一種新型高熵鈷鎳基高溫合金（簡稱CoNi-HESA）。該合金專為高溫環(huán)境下的優(yōu)異性能設計，即便在900℃的高溫環(huán)境中，仍能保持出色性能，且適配激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造（AM）工藝。  

這種合金通過多元素組合，實現(xiàn)了高強度、高延展性，并能減少孔隙、裂紋等常見3D打印缺陷。其研發(fā)目標是用于制造航空航天及能源領域的零部件（如風力渦輪機部件），適用于傳統(tǒng)鎳基高溫合金常面臨焊接性與制造局限性的場景。  

為何選擇高熵合金？

傳統(tǒng)鎳基高溫合金（尤其是通過γ'相析出強化的合金）長期以來一直是渦輪葉片及其他耐高溫零部件的首選材料。然而，在增材制造過程中，這類合金的加工性能問題限制了其性能發(fā)揮。  

高熵合金（HEAs）由多種主元元素以近等原子比構成，具備更優(yōu)異的力學性能、熱穩(wěn)定性及耐腐蝕性。其中，鈷鎳基高熵合金因熔點高、物相穩(wěn)定性佳且能形成高體積分數(shù)的γ'相，格外具有應用吸引力。盡管如此，將這類合金融入增材制造工藝仍面臨諸多挑戰(zhàn)。  

戰(zhàn)略性合金成分設計

CoNi-HESA合金的研發(fā)采用了熱力學建模方法，以確保合金體系的穩(wěn)定性與可制造性。其鈷（Co）與鎳（Ni）元素含量接近等原子比，同時添加了鉻（Cr）、鋁（Al）、釩（V）、鈦（Ti）、鉭（Ta）及鎢（W）等元素。這些元素共同作用，形成了穩(wěn)定的面心立方（FCC）基體，并析出高體積分數(shù)的γ'相——這兩種結構對合金的高溫強度與長期物相穩(wěn)定性至關重要。  

該合金粉末通過氬氣霧化法制備，最終得到粒徑介于20-63微米的球形粉末，完全適配增材制造需求。掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）及成分分析結果表明，該粉末具有良好的形貌與微觀結構一致性，僅在表征過程中觀察到輕微的微偏析現(xiàn)象。  

增材制造工藝

研究團隊使用雷尼紹（Renishaw）AM400系統(tǒng)，通過響應面法對激光粉末床熔融（L-PBF）工藝參數(shù)進行優(yōu)化，調整范圍包括激光功率（110-190瓦）與掃描速度（550-850毫米/秒）。優(yōu)化目標是在最大化零部件致密度的同時，最小化裂紋與孔隙缺陷的產生。  

研究人員采用光學顯微鏡與掃描電子顯微鏡分析熔池形貌、枝晶結構及孔隙率；通過室溫與高溫環(huán)境下的拉伸試驗、壓縮試驗，評估了成型態(tài)合金的力學性能。  

優(yōu)異的實驗結果

CoNi-HESA合金的相對密度超過99%，微觀結構完整性優(yōu)異。成型態(tài)零部件呈現(xiàn)出胞狀/枝晶狀結構，具有穩(wěn)定的FCC相，且在枝晶間區(qū)域均勻分布著γ'析出相。  

高構型熵是減緩合金相變與原子擴散的關鍵，有效降低了缺陷形成概率。該合金在室溫下的抗拉強度超過1000GPa（GPa），延展性超過30%；即便在900℃的高溫環(huán)境中，仍能保持出色性能，這表明其具備在高溫環(huán)境下長期服役的潛力。  

尤為重要的一項成果是，該合金能夠抑制拓撲密排（TCP）相的形成——TCP相是導致傳統(tǒng)高溫合金力學性能下降的常見問題。研究認為，這一優(yōu)勢得益于精心設計的合金成分，以及熵對物相穩(wěn)定性的積極影響。  

通過響應面法確定的優(yōu)化工藝窗口，清晰揭示了工藝參數(shù)、微觀結構與力學性能之間的關聯(lián)，進一步印證了將合金設計與增材制造工藝控制相結合的重要性。  

高性能增材制造合金的發(fā)展前景

這項研究標志著面向增材制造的高熵高溫合金設計取得重大突破。研究人員通過將熱力學建模與精準工藝優(yōu)化相結合，成功制造出致密度高、缺陷少的零部件，可適配極端環(huán)境應用需求。  

CoNi-HESA合金在廣泛溫度范圍內兼具高力學強度與優(yōu)異微觀結構性能，在需要高可靠性、高性能增材制造零部件的航空航天與能源領域，具有巨大應用潛力。  


原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S026412752501161X