Сплав для 3D-печати, предназначенный для экстремальных условий.

Nature, том 617, страницы 513–518 (2023 г.) Процитировать эту статью

33 тыс. доступов

7 цитат

176 Альтметрика

Подробности о метриках

Сплавы с несколькими основными элементами представляют собой перспективный класс материалов благодаря своим впечатляющим механическим и устойчивым к окислению свойствам, особенно в экстремальных условиях1,2. Здесь мы разрабатываем новый сплав на основе NiCoCr, упрочненный оксидной дисперсией, используя модельно-ориентированный подход к проектированию сплавов и лазерное аддитивное производство. В этом сплаве, упрочненном оксидной дисперсией, под названием GRX-810, используется лазерная сварка в порошковом слое для диспергирования наноразмерных частиц Y2O3 по всей микроструктуре без использования ресурсоемких этапов обработки, таких как механическое легирование или легирование на месте3,4. Мы показываем успешное внедрение и диспергирование наноразмерных оксидов по всему объему сборки GRX-810 посредством определения характеристик его микроструктуры с высоким разрешением. Механические результаты GRX-810 показывают двукратное улучшение прочности, более чем в 1000 раз лучшие характеристики ползучести и двукратное улучшение стойкости к окислению по сравнению с традиционными поликристаллическими деформируемыми сплавами на основе Ni, широко используемыми в аддитивном производстве при температуре 1093 °C5,6. Успех этого сплава подчеркивает, как моделирование сплавов может обеспечить превосходные составы с использованием гораздо меньшего количества ресурсов по сравнению с методами «проб и ошибок» прошлого. Эти результаты демонстрируют, как будущая разработка сплавов, использующая дисперсионное упрочнение в сочетании с аддитивной обработкой, может ускорить открытие революционных материалов.

Сплавы с высокой энтропией, также обычно называемые сплавами с несколькими основными элементами (MPEA), представляют собой класс материалов, которые в настоящее время вызывают интерес среди металлургического сообщества1,2,7,8,9. За последнее десятилетие многочисленные научные исследования выявили замечательные свойства этих сплавов7,10,11,12,13. Одним из наиболее изученных семейств MPEA является канторовский сплав CoCrFeMnNi и его производные2,8,14. Эта группа сплавов показала превосходное деформационное упрочнение, что привело к высокой прочности на разрыв и пластичности7,15,16,17,18. Преодоление компромисса между прочностью и пластичностью является результатом механизмов деформации атомного масштаба16, таких как локально переменные энергии дефекта упаковки19 и магнитно-управляемые фазовые превращения20. Этот класс сплавов также оказался прочным, устойчивым к охрупчиванию в водородной среде21, демонстрируя улучшенные свойства под облучением22 и обеспечивая превосходную прочность при криогенных температурах23. В результате эти сплавы демонстрируют большой потенциал для многочисленных применений в аэрокосмической и энергетической сферах в условиях повышенных температур и агрессивных сред, что позволяет снизить вес и повысить эксплуатационные характеристики.

Одним из производных канторовских сплавов, представляющих особый интерес, является сплав NiCoCr со средней энтропией. Это семейство сплавов обеспечивает самую высокую прочность при комнатной температуре среди сплавов Кантора и его производных2,24. Недавно было показано, что этот сплав обеспечивает впечатляющие свойства растяжения (предел текучести при комнатной температуре 1100 МПа) при частичной рекристаллизационной термообработке после холодной прокатки17. Эти свойства также объясняются вызванными деформациями фазовыми превращениями от гранецентрированной кубической (FCC) до гексагональной плотноупакованной (HCP) и локальными вариациями дефектов упаковки. Недавно также были исследованы легирование и легирование NiCoCr тугоплавкими элементами и межузельными атомами. Сеол и др. обнаружили, что легирование высокоэнтропийного сплава NiCoCrFeMn 30 ppm бора привело к значительному улучшению прочности и пластичности, что связано как с зернограничным, так и с межузельным упрочнением бора25. Недавние исследования также показали, что добавление углерода в MPEAs приводит к повышению прочности26,27,28. Наконец, Ву и др.29 обнаружили, что добавление W в трех атомных процентах (ат. %) в NiCoCr создает более мелкую зернистую структуру (средний размер зерна 1 мкм), что приводит к значительному увеличению предела текучести сплава (более 1000 МПа). (по сравнению с 500 МПа для нелегированного NiCoCr), сохраняя при этом исключительную пластичность более 50% (ссылка 29). Эти результаты позволяют предположить, что значительные улучшения в системах FCC MPEA все еще могут быть реализованы за счет дополнительного легирования.