牛津大學(xué)的Reed 研究組通過(guò)合金設(shè)計(jì)方法（Alloys-by-design/ABD）成功設(shè)計(jì)出兩款新型可增材制造的高性能高溫合金。這兩款新型合金的氧化層均為氧化鉻，要提高材料的抗溫與持久能力，還有待開(kāi)發(fā)以氧化鋁為氧化層的新合金。

近日，該組研究者再次成功設(shè)計(jì)了此類(lèi)新合金，具有更高的強(qiáng)化相比例分?jǐn)?shù)，且不會(huì)在打印中產(chǎn)生微裂紋，并通過(guò)調(diào)控(Nb+Ta)/Al 比例獲得最優(yōu)的抗氧化性與力學(xué)性能。該成果以A new class of alumina-forming superalloys for 3D printing為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

高溫合金在極端環(huán)境具有長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這與其抗氧化性是密不可分的。此種材料在高溫作用下會(huì)迅速通過(guò)氧氣與鉻（Cr）或者鋁（Al）形成致密的氧化層從而保護(hù)基體不被繼續(xù)氧化。根據(jù)氧化層成分可以劃分為含Cr 或含Al 元素高溫合金。如IN718、Waspaloy 等屬于前者，而CMSX-4、CM247LC 則屬于后者。由于含Cr 的氧化層在1000℃以上不穩(wěn)定，容易碎裂或揮發(fā)從而失去保護(hù)性，因此應(yīng)用溫度低于含Al 元素的合金。

左圖為不同(Nb+Ta)/Al 比例的多維性能優(yōu)化圖。

該研究工作中，研究者們通過(guò)ABD 方法設(shè)計(jì)了3 種成分的含Al 高溫合金，通過(guò)大量試驗(yàn)，測(cè)試了3種材料的工藝加工性，以及不同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能、蠕變性能、抗氧化性等，同時(shí)以CM247LC合金作為標(biāo)桿進(jìn)行比較。3 種不同(Nb+Ta)/Al 比例的含Al 新型高溫合金被成功設(shè)計(jì)，且3D 打印后不會(huì)形成微裂紋。其中超固溶熱處理會(huì)導(dǎo)致材料在高溫脆化，而亞固溶則可以保持相當(dāng)?shù)母邷匮诱购蛷?qiáng)度。提高(Nb+Ta)/Al 比例可以增加材料強(qiáng)度，然而也會(huì)降低抗氧化性能，其具體比例應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用條件而選擇。

此項(xiàng)工作證實(shí)了多維度性能優(yōu)化在材料設(shè)計(jì)中的重要性，為今后增材制造高溫合金的發(fā)展提供了指南。