牛津大学：增材制造新型高温合金再获突破

颗粒在线讯：高温合金应用于航天航空的关键结构件，其传统制造工艺十分繁琐。金属3D打印作为数字化制造的生力军有望颠覆这一现状。然而，大部分传统高温合金会在打印过程中产生大量的微观缺陷从而无法付诸应用。因此，新型高温合金的设计势在必行。

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。