氧化物彌散強化合金
新聞來源：www.huancq.cn 發(fā)布時間：2023-09-11 15:08 瀏覽量：
氧化物彌散強化(ODS)合金，具有優(yōu)異的抗蠕變性能、良好的高溫組織穩(wěn)定性和良好的抗輻照性能，是一類重要的高溫應(yīng)用合金。
它一種具有承受高中子通量的理想核包殼材料，具有彌散的柯氏氣體團(tuán)，形成超穩(wěn)定的強化態(tài)，具有抗高溫蠕變的特性。
歐洲地平線 HORIZON 在2020發(fā)起topAM 項目，支持開發(fā)3D打印ODS氧化物彌散強化合金。歐盟資助的 topAM 項目的目標(biāo)是開發(fā)新的工藝路線，用于制造氧化物彌散強化合金，該合金由金屬基體（FeCrAl、Ni 和 NiCu）組成，其中散布著小的氧化物顆粒。這些合金將作為3D打印增材制造的粉末生產(chǎn)，并為加工工業(yè)提供競爭優(yōu)勢。
重要且有前途的3D打印金屬材料
氧化物彌散強化 (ODS)合金的特征在于納米級氧化物顆粒均勻分散在金屬基體中，通過Hall-Petch或Orowan機制阻礙位錯運動，從而提高在大溫度范圍內(nèi)的機械性能。此類材料應(yīng)行業(yè)應(yīng)用需求而開發(fā)，例如燃?xì)廨啓C需要材料在高溫下具有高強度和抗蠕變性，核反應(yīng)需要材料具有抵抗高能中子氣體沖擊的能力。納米級氧化物顆粒使材料具有了難以置信的性能優(yōu)勢，在核工業(yè)、渦輪機械、航空等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值，然而為極端環(huán)境研發(fā)氧化物彌散強化合金具有挑戰(zhàn)性且成本高昂。
傳統(tǒng)的粉末冶金氧化物彌散強化零件制造工藝涉及多個工藝步驟，包括通過機械合金化工藝制造復(fù)合粉末、通過不同燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行固結(jié)、后續(xù)熱處理和最終減材成形�；诜勰┑脑霾闹圃焓且环N很有前途的ODS材料生產(chǎn)路線，因為它允許直接從定制的粉末材料中進(jìn)行近凈形，從而顯著縮短ODS合金的制造路線。然而就如同最初并沒有專門的材料用于增材制造，ODS合金還沒有針對增材制造的特征過程進(jìn)行優(yōu)化，因此無法充分利用這種制造技術(shù)的潛力。然而3D打印卻還有一項重要應(yīng)用，那就是開發(fā)新材料。
NASA3D打印開發(fā)氧化物彌散強化合金
NASA在今年4月新推出的GRX-810，是一種新的氧化物彌散強化NiCoCr基合金，使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計方法和基于激光的增材制造。該氧化物彌散強化合金（稱作GRX-810），使用激光粉末床融合分散納米級的Y2O3顆粒在整個微觀結(jié)構(gòu)中，而不使用資源密集型加工步驟，如機械或原位合金化。通過高分辨率表征其微觀結(jié)構(gòu)，成功地將納米級氧化物摻入和分散在整個GRX-810構(gòu)建體積中。GRX-810的機械結(jié)果顯示，與在1093 °C下廣泛用于增材制造的傳統(tǒng)多晶鍛造鎳基合金相比，強度提高了兩倍，蠕變性能提高了1000倍以上，抗氧化性提高了兩倍。
GRX-810作為一種氧化物彌散強化合金，通俗的說，含有氧原子的微小顆粒散布在整個合金中，增強了合金的強度。這種合金是制造用于高溫應(yīng)用的航空航天部件的絕佳候選材料，例如飛機和火箭發(fā)動機內(nèi)部的部件，因為它們可以在達(dá)到斷裂點之前承受更惡劣的條件。
這種合金的成功也突出了模型驅(qū)動的合金設(shè)計如何使用比過去的“試錯”方法少得多的資源來提供上級的成分。這些結(jié)果展示了利用彌散強化與增材制造工藝相結(jié)合的未來合金開發(fā)如何加速革命性材料的發(fā)現(xiàn)。
ODS合金的基質(zhì)材料
通過分散納米級氧化物顆粒進(jìn)行分散強化的概念可以應(yīng)用于所有晶體結(jié)構(gòu)材料。因此，這一概念可用于增強各種金屬材料的機械和輻照性能，例如鐵素體和奧氏體鋼、鎳基合金、基于鎂的輕金屬等結(jié)構(gòu)材料、鋁和鈦以及基于鎢和鉬的難熔合金。然而，特殊合金的機械性能，如耐磨鈷合金、基于銅的高導(dǎo)電材料，甚至先進(jìn)的高熵材料等也受益于分散在其基體中的納米顆粒。
1. 鋼基ODS合金
鋼材是最常用的結(jié)構(gòu)材料，其具有從高強度到耐腐蝕和耐高溫等級的眾多性能，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。如今許多商用ODS合金是基于低活化鐵素體/馬氏體的鋼材料。這些鋼的特點是具有不含易活化的合金元素，除此之外，奧氏體鋼種在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中也越來越受到關(guān)注。
1. 鎳基ODS合金
鎳基高溫合金廣泛用于航空航天領(lǐng)域，由于其卓越的高溫強度和蠕變特性，它們也是內(nèi)燃機中的重要材料。納米級氧化物顆粒對鎳基高溫合金的額外強化旨在提高機械性能，例如高溫條件下的強度和抗蠕變性。出于這個原因，市售的鎳基合金，例如In625和Hastelloy X被認(rèn)為是氧化物彌散強化鎳基合金的基體合金。此外，γ'-強化鎳基合金（如In718) 以及含有γ' 形成劑的鈦和鋁因其卓越的高溫性能而被使用。
1. 金屬間ODS合金
金屬間合金在高溫環(huán)境下比傳統(tǒng)的鎳基合金具有更高的比強度和出色的抗氧化性，因此引起了航空航天應(yīng)用的極大興趣。特別是，基于鈦 (γ-TiAl) 和鐵 (FeAl) 的鋁化物以及基于鉬 (Mo-Si) 和釩 (V-Si) 的硅化物被認(rèn)為是替代現(xiàn)代內(nèi)燃機鎳基高溫合金的重要材料。與鎳基合金相比，納米級氧化物顆粒在金屬間化合物基質(zhì)中的分散旨在進(jìn)一步提高高溫環(huán)境中的機械性能。各種納米級氧化物粒子的分散，導(dǎo)致更高的硬度、室溫和高溫強度。此外，納米級彌散體的加入促進(jìn)了晶粒結(jié)構(gòu)的顯著細(xì)化，這種結(jié)構(gòu)在高溫下是穩(wěn)定的。鐵和鈦鋁化物中的大量鋁會促進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氧化物化合物，金屬間合金仍然是當(dāng)前研究的主要部分。然而，迄今為止，還沒有基于金屬間合金的商用氧化物彌散強化合金。
ODS合金的增材制造
在增材制造中，金屬部件采用逐層工藝制造，通常使用金屬粉末或線材原料。今天，可以使用許多不同的3D打印工藝來制造金屬和復(fù)合材料。然而，微米級金屬顆粒和納米級氧化物顆粒的簡單混合通常導(dǎo)致氧化物顆粒的不均勻分布，并導(dǎo)致在ODS合金內(nèi)的不均勻分散。因此，制造具有均勻分布的金屬和陶瓷成分的合適復(fù)合粉末對于通過3D打印工藝成功制造ODS合金至關(guān)重要。
因此，很多學(xué)者專門研究了制造粉末復(fù)合材料的技術(shù)，從而允許通過增材制造工藝可靠的制造ODS合金，這些復(fù)合粉末制造技術(shù)包括固體基、液體基和氣體基工藝。
對于典型的基于激光、電子束或電弧的熔化增材制造，復(fù)合粉末顆粒與高能輻射的相互作用、納米顆粒在熔池中的行為以及納米顆粒與凝固前沿的相互作用，決定了金屬基體合金中納米粒子的最終分布和尺寸。
基于粉末床的工藝可能是目前提出的基于熔融的增材制造工藝中最適合制造ODS合金的工藝技術(shù)，與基于送粉的DED工藝相比，它通過利用更小的光束直徑，從而最大限度地減少熔化階段分散的納米顆粒的粗化和浮選。但是，盡管使用常見的PBF工藝，但發(fā)現(xiàn)凝固后的納米粒子尺寸較寬。在這種情況下，顯然需要更多的模擬研究來理清對高動態(tài)熔池中納米粒子行為的影響因素，目前尚缺乏研究。
為了指導(dǎo)模擬方法，需要更深入的微觀結(jié)構(gòu)表征，以便明確識別納米粒子化學(xué)成分和納米粒子在分散的金屬基質(zhì)中的分配。原子探針層析成像 (APT) 是一種合適的工具，但似乎僅對于足夠小 (>100nm) 且以高數(shù)密度存在的特征才可靠。因此，使用高分辨率透射電子顯微鏡進(jìn)行的補充檢查是有益的，可以表征不同長度尺度上的納米粒子分布，還可以提供有關(guān)基質(zhì)和嵌入納米粒子相干性的信息。直接觀察納米顆粒的運動和團(tuán)聚趨勢，將直接影響ODS合金的機械性能。為了證明增材制造的ODS合金的潛力，需要在廣泛的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行深入的機械表征，包括靜態(tài)和動態(tài)表征（如蠕變檢查），這將允許將增材制造的ODS材料與傳統(tǒng)制造的對應(yīng)材料進(jìn)行基準(zhǔn)測試。
研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的ODS合金相比，增材制造的ODS合金的機械性能較差，但比非增強材料有更好的性能，尤其是在高溫環(huán)境中。因此，氧化物彌散強化材料將是一類非常有前途增材制造材料，尤其對于極端使用環(huán)境下。