研究背景：
高熵合金，也被称为多主元合金(MPEA)，是目前冶金学界十分感兴趣的一类材料。在过去的十年里，大量的科学研究发现了这些合金能够表现出的显著性能。研究最深入的MPEA家族之一是Cantor合金CoCrFeMnNi及其衍生物。这类合金表现出极好的应变硬化，导致高的拉伸强度和延性。克服强-塑性权衡的结果是原子尺度的变形机制，例如局部可变的堆积层错能和磁驱动的相变。这类合金也已被证明是十分坚固的，并且耐氢脆，还表现出改进的辐射性能和在低温下提供优异的强度。因此，这些合金在高温和腐蚀性环境中显示出巨大的航空航天和能源应用潜力，可实现重量减轻和更高性能的运行。
研究问题：
本研究利用模型驱动的合金设计方法和激光增材制造技术，开发了一种新的氧化-分散-强化镍钴铬基合金。这种被称为GRX-810的氧化-分散-强化合金，使用激光粉末床融合技术将纳米级的Y2O3颗粒分散到整个微观结构中，而不使用传统的资源密集型的加工步骤，如机械或原位合金化。本研究通过对GRX-810的微观结构进行高分辨率的表征，展示了纳米级氧化物在整个GRX-810构建体积中的成功融入和分散。GRX-810的力学结果显示，与在1,093℃下广泛用于增材制造的传统多晶锻造镍基合金相比，其强度提高了2倍，蠕变性能提高了1,000倍，抗氧化性提高了2倍。这种合金的成功突出了模型驱动的合金设计与过去的“试错”方法相比，其能够利用更少的资源提供卓越的性能。这些结果展示了未来的合金开发是如何利用分散强化与增材制造加工相结合去加速发现革命性的材料的。
图1 GRX-810和NiCoCr组成空间的模拟
要点：1.图1提供了基于重量百分比的模型优化的GRX-810合金及其成分的预测相平衡。图1b中的相图显示，对于很大一部分NiCoCr基成分空间，HCP是0K下能量最稳定的相，然而，由于FCC相具有更高的对称性和熵，预计这将在高温下观察到，正如几十年来在NiCoCr基合金中所报道的那样。
图2 GRX-810微观结构的高分辨率表征
要点：1.图2提供了未测试的热等静压(HIP)GRX-810粉末在通过AM包覆和固结后的高分辨率显微结构表征。在图2a中一个值得注意的观察是沿着一些，但不是所有的氧化物-基体界面存在碳分离。图2b所示的附加低角度环形暗场（LAADF）-STEMDCI分析显示了一个有代表性的缺陷微观结构。它由1/2<110>位错的网络组成，大部分位错被1/6<112>肖克利约束而解离成可观察的内在堆积断层。解离的位错相互作用形成许多扩展的堆积断层节点配置。2.此外，观察到大量的堆积错位四面体的存在和普遍存在的错位与氧化物的相互作用。叠错四面体已被发现可以进一步抑制位错运动，并可能进一步改善该合金的蠕变和拉伸性能。图2c,d显示了Cr、W和Re在晶界的溶质偏析，而Ni和Co则被耗尽。图2c中的EDS图也显示了富含Nb/Ti的金属碳化物的存在，根据热力学模型的预测，这些碳化物在合金熔化温度之前是稳定的。3.本研究对GRX-810晶格进行高分辨率的高角度环形暗场（HAADF）-STEM分析，以探索该合金中是否存在局部化学排序，正如在其他高熵合金中发现的那样。图2e,f中的分析显示，尽管拥有L12形成元素，如Al、Ti和Nb，但晶格保持了完美的固溶体，不存在短程元素排序。
图3 NiCoCr基合金的力学性能测试
要点：1.图3a显示了高温拉伸试验（1,093℃），突出了所测试的五种合金的强度和伸长率的差异。发现非ODS镍钴合金样品的强度和延展性都比镍钴合金-ODS样品低。事实上，通过简单地加入Y2O3颗粒，镍钴合金的强度得到了提高，延展性也提高了两倍。这突出了这些氧化物在高温下所提供的强化效果。在NiCoCr-ODS中少量添加Re和B，似乎对合金的强度有小幅提高。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，使其成为更坚固的高温合金。2.图3b显示了GRX-810和非ODSGRX-810与本研究中测试的锻造Haynes230的强度比较，。这些曲线显示了不同合金之间在强度和伸长率方面的小差异，尽管GRX-810确实提供了比其他三种合金略高的抗拉强度3.为了比较这些合金的性能，本研究在1,093℃下进行了蠕变试验。图3c,d显示了GRX-810的氧化物强化和模型驱动成分的结合对高温蠕变强度的影响。在1,093℃和20MPa，HIPGRX-810在6,500小时的蠕变后断裂，而原样测试在1%的应变（超过2,800小时）时终止。所有其他非ODS合金，即镍钴合金、AM超合金718、AM超合金625（14MPa）和锻造的Haynes230，都在40小时内破裂。
图4 1，093 和 1，200℃下的循环氧化结果
要点：1.GRX-810的拉伸和蠕变性能得到改善的一个解释是，与Superalloy718相比，观察到其抗氧化性的改善。在图4中，GRX-810和Superalloy718在1,100和1,200℃下进行的循环氧化试验结果显示，时间长达35小时。在1,093℃的暴露期间，每一种合金观察到的重量损失都归因于从试验温度空气淬火时的氧化物剥落。然而，这里显示的结果表明，GRX-810在1,093℃时的氧化耐久性优于AM超合金718，在1,200℃时明显优于AM超合金718，而AM超合金718几乎没有寿命。
图5 GRX-810铸态合金与现行SOAAM高温合金的蠕变持久寿命比较
要点：1.图3显示，GRX-810比基线镍钴铬和镍钴铬-ODS合金表现出明显的蠕变断裂性能。此外，与目前最先进的（SOA）AM高温合金（超级合金718、超级合金625和Haynes230）相比，GRX-810可以在1093℃下提供数量级更好的蠕变寿命。为了进一步说明这一改进，这些合金和其他市售超合金的1,093℃蠕变断裂寿命被绘制在图5中。
结语：
最后，本研究介绍了一种新的镍钴铬基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与目前的AM合金相比，该合金在极端环境下具有优异的性能。在合金设计中使用计算模型导致了一种平衡性能和可加工性的成分，先进的表征使人们了解了潜在的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1,093℃下的蠕变性能显示出数量级的改善，从而使极端环境下的复杂部件能够使用AM。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0
（来源：研之成理）