2023年4月23日，来自NASA和俄亥俄州立大学的一组创新者开发了一种名为GRX-810的新型弥散强化高温合金，这是3D打印高温材料的一项突破，可以为飞机和航天器制造更坚固、更耐用的部件。

什么是多主元素合金？

多主元素合金具有强大的机械和抗氧化性能，尤其适合于极端环境使用。

多主元素合金又被成为高熵合金，具有高抗拉强度和延展性，在航空航天和能源等需要在高温和腐蚀性环境中使用的组件制造显示出巨大潜力。而氧化物弥散强化高熵合金则可以对后者的高温强度和蠕变性能等带来改善，以往在3D打印过程中引入弥散强化的手段通常是借助机械合金化、原位合金化或化学反应，但这些方法通常使过程变得复杂且可重复性存在不足。

NASA开发超级合金GRX-810

Smith 和他的Glenn同事 Christopher Kantzos共同发明了GRX-810型高温合金。这项研究结果被发表在《Nature》杂志上发表的一篇同行评审论文中，论文题目为"A 3D printable alloy designed for extremeenvironments"。来自格伦、美国宇航局位于加利福尼亚硅谷的艾姆斯研究中心、美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心和俄亥俄州立大学的参与者团队共同撰写了这篇论文。

GRX-810是一种氧化物弥散强化合金，其强化机理是通过微小的氧化物颗粒弥散分布整个合金基体，从而增强了合金的强度。这种合金非常适合用于制造高温应用的航空航天部件，例如飞机和火箭发动机内部的部件，因为它们可以在达到断裂点之前承受更恶劣的条件。

当前最先进的3D打印高温合金，如Haynes、Hastelloy和Inconel系列，可以承受高达2,000华氏度的温度。与那些相比，GRX-810的强度是它们的两倍，耐用性是它们的1,000多倍，抗氧化性也是它们的两倍。

超级合金GRX-810的制备

这种名为GRX-810的氧化物弥散强化合金，是研究人员使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发的氧化物弥散强化型NiCoCr基合金。无需机械或原位合金化等资源密集型加工步骤，借助粉末床激光熔融工艺就可以将纳米级的Y 2 O 3颗粒分散到整个微观结构中，该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000 多倍的蠕变性能。这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。

NASA团队使用了一种不需要任何粘结剂、流体或化学反应的高能混合过程，成功将纳米级的Y2O3涂覆到NiCoCr金属粉末上。此过程不会影响粉末球形形态，对于高质量粉末床3D打印制造至关重要。使用这种方法，研究人员3D打印出的新合金与之前相比，1093°C时的抗拉强度提高了35%，延展性提高了三倍。

在该研究的基础上，NASA团队采用相同的方法进一步优化了NiCoCr合金系统，研究证实了模型驱动的合金设计和3D打印工艺的成熟，可以生产具有以前传统制造技术无法实现特性的下一代材料。

研究使用的粉末原材料（粒径为10-53μm）与纳米级Y2O3（直径为100–200 nm，纯度为99.999%）使用高能声学混合器混合，然后使用筛网去除大的氧化物或金属粉末颗粒。研究探索了NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS，添加少量Re (1.5 wt%) 和B (0.03wt%) (ODS-ReB)的合金。

1093°C高温拉伸试验显示了五种合金的强度和伸长率差异，发现非ODS NiCoCr样品的强度和延展性低于NiCoCr-ODS样品。事实上，通过简单地掺入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。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，GRX-810提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为一种性能更高的高温合金。一个令人惊讶的结果是，非ODS GRX-810的强度，尽管延展性有限（与非ODS NiCoCr合金相比），但其似乎与成品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。

GRX-810、非ODS GRX-810、锻造Haynes 230、锻造625和718相比，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。HIP室温测试提供了一些强度变化，因为ODS合金能够在该处理步骤后保持更高的强度。打印态和HIP GRX-810在不同温度下的拉伸性能显示了两个值得注意的观察结果：首先，与 HIP GRX-810 相比，打印态的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，表明纳米级氧化物在这些低温下不会对合金强度产生不利影响。

可能成为有史以来最成功的技术专利

“这种新合金是一项重大成就，”美国宇航局转型工具和技术项目副项目经理说。“在不久的将来，它很可能成为NASA Glenn有史以来最成功的技术专利之一。”与现有材料相比，GRX-810凭借其卓越的性能和效率，预计将彻底改变复杂的航空航天应用。

此外，制造商3D Systems借此机会在其金属3D打印平台上对其进行了测试，证实了这种新材料的卓越性能。这种材料最终将出现在更多的金属3D打印机中，生产出能够在更广泛的环境中正常运行的部件。

研究人员使用一种计算建模方法来设计这种新型超级合金，而且这种方法似乎非常成功。不仅生产了一种新合金，而且还生产了一种制造更多超级合金的新方法。

文章来源： 3D打印技术参考，3D打印资源库，科技棒棒