根据3D科学谷《革命性的突破，NASA 3D打印ODS合金 GRX-810可耐高达1000度的高温》一文，NASA 合金 GRX-810 是一种氧化物弥散强化 (ODS) 合金，可以承受超过 2,000 华氏度（1000多摄氏度）的温度，更具延展性。科研人员还在 1,093°C 下进行蠕变测试以比较这些合金的性能，与锻造 Haynes 230 相比，成品 GRX-810 达到 1% 应变所需的时间要长 500 多倍，与增材制造超级合金 718 相比要长 1000 多倍。
这些新合金可用于制造用于高温应用的航空部件，例如飞机和火箭发动机内部的部件，因为 ODS 合金可以在达到断裂点之前承受更恶劣的条件。
本期，结合论文《A 3D printable alloy designed for extreme environments》，3D科学谷将分享模型驱动的GRX-810这一更坚固的高温合金的性能测试表现。
更坚固
GRX-810 微结构的高分辨率表征
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研究人员对五种不同的 MPEA多主元素合金合金（NiCoCr、NiCoCr-ODS、ODS-ReB、GRX-810 和非 ODS GRX-810）在 1,093°C 条件下在3D打印完成和3D打印后经过HIP 热等静压后处理条件下进行了拉伸和蠕变测试，以比较整体机械性能。还对 AM 718、AM 625 和锻造 Haynes 230 进行了测试，以与增材制造中广泛使用的传统锻造高温合金进行比较。图 3 显示了这些合金在 1,093°C 时的拉伸和 20MPa 蠕变性能。
图：NiCoCr 合金的机械测试
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通过高温拉伸试验 (1,093°C)，突出了所测试的五种合金的强度和伸长率差异。研究人员发现非 ODS NiCoCr 样品的强度和延展性低于 NiCoCr-ODS 样品。事实上，通过简单地加入 Y2O3 颗粒，NiCoCr 的强度增加了，延展性提高了两倍。这突出了这些氧化物在高温下提供的强化效果。
研究人员发现向 NiCoCr-ODS 中少量添加 Re 和 B 似乎略微提高了合金的强度。值得注意的是，与其他 ODS 合金相比，GRX-810 显示出更高的强度和延展性；事实上，与 NiCoCr（这项研究的起点）相比，GRX-810 提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为一种更坚固的高温合金。
一个令人惊讶的结果是非 ODS GRX-810 的强度，尽管它的延展性有限（与非 ODS NiCoCr 合金相比），但它似乎与成品 GRX-810 的强度相当。这一发现表明强度的提高是由于基础成分，而氧化物是延展性提高的来源。
不同合金之间的强度和伸长率方面几乎没有差异，尽管与其他三种合金相比，GRX-810 确实提供了略高的抗拉强度。经过HIP热等静压后处理后的样件显示了一些强度变化，因为ODS合金能够在该处理步骤后保持更高的强度。这很可能归因于与非ODS合金NiCoCr 样品中更大的晶粒生长和更等轴的晶粒结构相比。
研究人员还发现AM-增材制造样品中存在的各向异性，这些样品不能通过后续的HIP热等静压步骤等常规方法再结晶。最后，数据显示了成品和HIP热等静压后的GRX-810 在不同温度下的拉伸性能。
研究人员还发现了两个值得注意的观察结果：首先，与经过HIP热等静压处理的GRX-810 相比，GRX-810 始终提供更高的强度；其次，GRX-810 提供了意想不到的低温拉伸性能（GRX-810 提供了 1.3GPa 的拉伸强度），表明纳米级氧化物在这些低温条件下不会对合金强度产生不利影响。
科研人员还在 1,093°C 下进行蠕变测试以比较这些合金的性能，与锻造 Haynes 230 相比，成品 GRX-810 达到 1% 应变所需的时间要长 500 多倍，与增材制造超级合金 718 相比要长 1000 多倍。另外，拉伸结果表明，与 HIP热等静压处理的GRX-810 相比，3D打印后未经过HIP处理的GRX-810 表现出更好的高温性能。与在高真空环境中测试的变形 Nb 基合金 C-103 相比，GRX-810 甚至在此状态下提供更好的蠕变强度 。
高温稳定
对GRX-810和Superalloy 718 进行的循环氧化测试的结果显示，在 1,093°C 高温下的暴露期间，显示的结果表明，GRX-810 在 1,093°C 时的氧化耐久性优于 AM增材制造高温合金 718，并且在 1,200°C 时明显更好。
图：1,093 和 1,200°C 下的循环氧化结果。
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与目前最先进的增材制造高温合金（超级合金718、超级合金 625 和 Haynes 230）相比，GRX-810 在 1,093°C 下的蠕变寿命提高了几个数量级。
图 ：与当前增材制造高温合金相比，成品 GRX-810 的蠕变断裂寿命。
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此外，其他 ODS 合金中的晶界失效模式表明，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对保护合金免受晶界失效机制影响的重要因素。先前的研究表明，碳化物在高温下的稳定性会影响蠕变过程中晶界裂纹的萌生。此外，据报道，晶界扩散率与蠕变过程中空洞形成的速率相关。因此，添加 W 和 Re（已知的慢扩散剂）应该会进一步抑制沿晶界形成蠕变空隙，而 Cr 偏析有望改善晶界腐蚀和氧化性能。在GRX-810合金中也观察到了应力诱导的氮化物形成，尽管这些内部氮化物的形成被认为对合金的性能有害，但 GRX-810 中的氮化物似乎不会像在 ODS-ReB 合金中观察到的那样导致晶界失效。
© 3D科学谷白皮书
总之，科研人员分享了一种新型 NiCoCr 基 ODS 合金 GRX-810 的设计、表征和性能，与当前的AM增材制造合金相比，GRX-810在极端环境中具有卓越的性能。在合金设计中使用计算模型产生了一种平衡性能和可加工性的成分，与目前使用的高温合金相比，GRX-810 在 1,093°C 下的蠕变性能提高了几个数量级，从而使 AM增材制造的GRX-810复杂部件能够用于极端环境中。此外，在 GRX-810 中观察到在3D打印条件和 3D打印后经过HIP热等静压条件下晶粒结构和平均晶粒直径几乎没有变化。这一发现表明，精细氧化物的分布足以抑制高温下的位错和晶界运动。
论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0
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