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【前沿】牛津大学成功设计出两款新型高温合金

文章来源：材料科学与工程微信公众号更新时间：2022-02-24 14:36:35

2021年，牛津大学的Reed 研究组通过合金设计方法（Alloys-By-Design/ABD）成功设计出两款新型可增材制造的高性能高温合金。这两款新型合金的氧化层均为氧化铬（Chromia-forming），想要提高材料的抗温与持久能力，氧化铝（Alumina-forming）作为氧化层的新合金还有待开发。近期，该组研究者们再次成功设计了此类新合金。它具有更高的强化相比例分数且不会在打印中产生微裂纹，并通过调控(Nb+Ta)/Al 比例获得最优的抗氧化性与力学性能。该成果以“A New Class of Alumina-Forming Superalloys for 3D printing”发表于近期的增材制造顶刊《Additive Manufacturing》，通讯作者为牛津大学汤元博博士。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102608

高温合金在极端环境具有长期的结构稳定性，这与它的抗氧化性是密不可分的。此种材料在高温作用下会迅速通过氧气与铬（Cr）或者铝（Al）形成致密的氧化层从而保护基体不被继续氧化。通过氧化层的成分可以划分为含Cr或含Al元素高温合金。例如IN718，Waspaloy等都属于前者，而CMSX-4或者CM247LC则属于后者。由于含Cr的氧化层在1000 °C以上会不稳定，容易碎裂或挥发从而失去保护性，因此应用温度低于含Al合金。

该工作中，研究者们通过ABD方法设计了三种成分的含Al高温合金，并通过调控(Nb+Ta)/Al 比例使平衡态伽马一撇相比例分数维持为0.5（900 °C）。通过大量实验，对三种材料测试了其工艺加工性，以及不同热处理条件下的力学性能，蠕变性能，抗氧化性等，同时以CM247LC合金作为标杆进行比较。

图一：三种新型合金在打印后有少许气孔但没有微裂纹，而CM247LC产生了大量微裂纹。

图二：微观X射线断层扫描两种材料打印的涡轮部件。新合金与CM247LC都在表面附近有大量气孔，这是由于表层的激光参数导致的。通过分析可以看到CM247LC的内部开裂密集且成片状。

图三：不同热处理条件下的微观组织。通过原子探针手段（APT）可以看出不同(Nb+Ta)/Al比例对伽马一撇强化相的成分有影响，预示其力学性能也会因此变化。

图四：两种不同的热处理的力学测试。过固溶（super-solvus）导致材料脆化，而亚固溶（sub-solvus）可以获得可观的强度与延展。

图五：亚固溶热处理下的力学性能对比。

图六：不同热处理下的蠕变性能对比。

图七： 1000°C氧化实验对比。新型高温合金（1 & 2）的抗氧化性明显优于传统CM247LC合金。

图八：800 °C氧化助断裂（Oxidation assisted cracking）性能对比。新合金（1 & 2）受氧化影响较小。

图九：不同(Nb+Ta)/Al比例的多维性能优化图

综上所述，三种不同(Nb+Ta)/Al比例的含Al新型高温合金被成功设计，且3D打印后不会形成微裂纹。其中超固溶热处理会导致材料在高温脆化，而亚固溶则可以保持相当的高温延展和强度。提高(Nb+Ta)/Al比例可以增加材料强度，然而也会降低抗氧化性能，其具体比例应该由应用条件而选择。此项工作证实了多维度性能优化在材料设计中的重要性，为今后增材制造高温合金的发展提供了指南。

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