研究背景

高熵合金，也称多主元素合金（MPEA），在高温和腐蚀性等极端环境仍具有优异的抗氧化和机械性能，在航空航天和能源中的应用潜力巨大。在Cantor合金及其衍生物中，NiCoCr在室温下能提供的强度最高，且延展性特别优异，这归因于应变诱导的面心立方（FCC）到六边形封闭（HCP）相变和局部堆叠故障变化。研究发现，高熵合金NiCoCrFeMn中掺杂30 ppm的硼可显著提高强度和延展性，在MPEA中添加碳可以提高强度，NiCoCr中添加三个原子百分比（at.%）的W可产生更精细的晶粒结构，大大提高合金延展性，因此，通过额外的合金化仍可以实现FCC MPEA系统的显著改进。

研究成果

格伦研究中心Timothy P. Gabb等使用模型驱动的合金设计和基于激光的增材制造（AM）工艺，开发了一种新的氧化物分散强化NiCoCr基合金GRX-810，GRX-810与传统多晶锻造镍基合金相比，强度提高了2倍，蠕变性能提高了1000多倍，抗氧化性能提高了2倍。此研究表明分散强化和增材制造工艺可加速革命性材料的发现。  

此项研究工作以“A 3D printable alloy designed for extremeenvironments”为题发表在国际顶级期刊《Na'tu're》上。

图文速递

一、GRX-810的微观结构表征

图1提供了模型优化的GRX-810合金的相平衡及成分预测，图1b显示，NiCoCr大部分组成空间，HCP是0K时能量最稳定的相 ，由于与FCC相关联的更高对称性和熵，预计这将在高温下观察到。

图2提供了未经测试的热等静压（HIP）GRX-810粉末涂覆并通过AM固结后的高分辨率微观结构表征。图2a显示部分氧化物-基体界面存在碳偏析，低角度环形暗场（LAADF）–STEM DCI分析显示了具有代表性的缺陷微观结构（图2b）。还观察到大量层错四面体的存在以及与氧化物的普遍位错相互作用。图2c，d显示了Cr、W和Re在晶界处的溶质偏析，Ni和Co贫化，且存在富Nb/Ti金属碳化物，热力学模型预测其在合金熔化温度下是稳定的。

 二、GRX-810的机械性能

在HIP条件下，对五种不同的MPEA合金（NiCoCr、NiCoCr ODS、ODS ReB、GRX-810和非ODS GRX-810）在1093°C下进行拉伸/蠕变测试 ，比较其整体高温机械性能（图3）。非ODS NiCoCr样品比NiCoCr ODS样品具有更低的强度和延展性。与NiCoCr相比，GRX-810提供了两倍的强度和三倍以上的延展性。非ODS GRX-810的强度与GRX-810相当。基体成分提高强度，氧化物提高韧性。蠕变试验（图3c、3d）显示了GRX-810的氧化强化和模型驱动成分组合对高温蠕变强度的影响。

GRX-810的拉伸和蠕变性能提高归因于其抗氧化性能的提高，循环氧化试验（图4）显示GRX-810在1100及 1200 ℃下氧化耐久性高达35h。 

三、与当前SOA AM合金的比较

图5比较了NiCoCr-ODS（绿色）和添加Re、B的NiCoCr与（ODS-ReB）（蓝色）、GRX-810（金）以及常规锻造高温合金（红色）的高温性能。纳米级氧化物分散体的添加在基体中提供了足够的强度，以避免位错运动，从而提高了机械和氧化性能，然而，ODS ReB和GRX-810的STEM分析没有显示氧化物尺寸或空间分布的任何显著差异，这解释了这两种合金在蠕变性能上的差异。1,093 ℃，20 MPa条件下空气蠕变实验显示， 其它ODS合金（例如，ODS-ReB）通过晶界蠕变孔隙聚结和剪切破坏的组合而屈服，但GRX-81在更长的测试时间后没有观察到明显的晶界孔隙/缺陷，非ODS GRX-810甚至具有更高的强度，因此蠕变应力是合金屈服应力的较低部分。在GRX-810中，稳定的MC碳化物和W、Cr和Re沿晶界的溶质偏析是显著有助于保护合金免受晶界失效机制影响的因素。添加W和R进一步抑制沿晶界形成蠕变空洞，而Cr偏析有望改善晶界腐蚀和氧化性能。在ODS ReB（富Cr氮化物）和GRX-810（富Al和富Cr的氮化物）合金中也观察到应力诱导的氮化物形成。虽然这些内部氮化物的形成被认为是两种合金性能的三元元素，但GRX-810中的氮化物似乎没有像ODS-ReB合金中观察到的那样导致晶界失效。 

结论与展望

介绍了一种新型NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与当前AM合金相比，该合金在极端环境下具有优越的性能。在合金设计中使用计算模型导致了一种能够平衡性能和生产能力的成分，通过先进表征可深入了解潜在的微观结构和机制。在1093°C条件下，GRX-810蠕变性能 与目前使用的高温合金相比具有数量级的改进，从而使AM能够在极端环境中用于复杂部件。

文献链接: 

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