氧化物彌散強化合金
新聞來源:www.tjhbrc.com  發布時間:2023-09-11 15:08 瀏覽量:
氧化物彌散強化(ODS)合金,具有優異的抗蠕變性能、良好的高溫組織穩定性和良好的抗輻照性能,是一類重要的高溫應用合金。
它一種具有承受高中子通量的理想核包殼材料,具有彌散的柯氏氣體團,形成超穩定的強化態,具有抗高溫蠕變的特性。
歐洲地平線 HORIZON 在2020發起topAM 項目,支持開發3D打印ODS氧化物彌散強化合金。歐盟資助的 topAM 項目的目標是開發新的工藝路線,用于制造氧化物彌散強化合金,該合金由金屬基體(FeCrAl、Ni 和 NiCu)組成,其中散布著小的氧化物顆粒。這些合金將作為3D打印增材制造的粉末生產,并為加工工業提供競爭優勢。
重要且有前途的3D打印金屬材料
氧化物彌散強化 (ODS)合金的特征在于納米級氧化物顆粒均勻分散在金屬基體中,通過Hall-Petch或Orowan機制阻礙位錯運動,從而提高在大溫度范圍內的機械性能。此類材料應行業應用需求而開發,例如燃氣輪機需要材料在高溫下具有高強度和抗蠕變性,核反應需要材料具有抵抗高能中子氣體沖擊的能力。納米級氧化物顆粒使材料具有了難以置信的性能優勢,在核工業、渦輪機械、航空等領域具有重大應用價值,然而為極端環境研發氧化物彌散強化合金具有挑戰性且成本高昂。
傳統的粉末冶金氧化物彌散強化零件制造工藝涉及多個工藝步驟,包括通過機械合金化工藝制造復合粉末、通過不同燒結技術進行固結、后續熱處理和最終減材成形;诜勰┑脑霾闹圃焓且环N很有前途的ODS材料生產路線,因為它允許直接從定制的粉末材料中進行近凈形,從而顯著縮短ODS合金的制造路線。然而就如同最初并沒有專門的材料用于增材制造,ODS合金還沒有針對增材制造的特征過程進行優化,因此無法充分利用這種制造技術的潛力。然而3D打印卻還有一項重要應用,那就是開發新材料。
NASA3D打印開發氧化物彌散強化合金
NASA在今年4月新推出的GRX-810,是一種新的氧化物彌散強化NiCoCr基合金,使用模型驅動的合金設計方法和基于激光的增材制造。該氧化物彌散強化合金(稱作GRX-810),使用激光粉末床融合分散納米級的Y2O3顆粒在整個微觀結構中,而不使用資源密集型加工步驟,如機械或原位合金化。通過高分辨率表征其微觀結構,成功地將納米級氧化物摻入和分散在整個GRX-810構建體積中。GRX-810的機械結果顯示,與在1093 °C下廣泛用于增材制造的傳統多晶鍛造鎳基合金相比,強度提高了兩倍,蠕變性能提高了1000倍以上,抗氧化性提高了兩倍。
GRX-810作為一種氧化物彌散強化合金,通俗的說,含有氧原子的微小顆粒散布在整個合金中,增強了合金的強度。這種合金是制造用于高溫應用的航空航天部件的絕佳候選材料,例如飛機和火箭發動機內部的部件,因為它們可以在達到斷裂點之前承受更惡劣的條件。
這種合金的成功也突出了模型驅動的合金設計如何使用比過去的“試錯”方法少得多的資源來提供上級的成分。這些結果展示了利用彌散強化與增材制造工藝相結合的未來合金開發如何加速革命性材料的發現。
ODS合金的基質材料
通過分散納米級氧化物顆粒進行分散強化的概念可以應用于所有晶體結構材料。因此,這一概念可用于增強各種金屬材料的機械和輻照性能,例如鐵素體和奧氏體鋼、鎳基合金、基于鎂的輕金屬等結構材料、鋁和鈦以及基于鎢和鉬的難熔合金。然而,特殊合金的機械性能,如耐磨鈷合金、基于銅的高導電材料,甚至先進的高熵材料等也受益于分散在其基體中的納米顆粒。
1. 鋼基ODS合金
鋼材是最常用的結構材料,其具有從高強度到耐腐蝕和耐高溫等級的眾多性能,廣泛應用于工程領域。如今許多商用ODS合金是基于低活化鐵素體/馬氏體的鋼材料。這些鋼的特點是具有不含易活化的合金元素,除此之外,奧氏體鋼種在結構應用中也越來越受到關注。
1. 鎳基ODS合金
鎳基高溫合金廣泛用于航空航天領域,由于其卓越的高溫強度和蠕變特性,它們也是內燃機中的重要材料。納米級氧化物顆粒對鎳基高溫合金的額外強化旨在提高機械性能,例如高溫條件下的強度和抗蠕變性。出于這個原因,市售的鎳基合金,例如In625和Hastelloy X被認為是氧化物彌散強化鎳基合金的基體合金。此外,γ'-強化鎳基合金(如In718) 以及含有γ' 形成劑的鈦和鋁因其卓越的高溫性能而被使用。
1. 金屬間ODS合金
金屬間合金在高溫環境下比傳統的鎳基合金具有更高的比強度和出色的抗氧化性,因此引起了航空航天應用的極大興趣。特別是,基于鈦 (γ-TiAl) 和鐵 (FeAl) 的鋁化物以及基于鉬 (Mo-Si) 和釩 (V-Si) 的硅化物被認為是替代現代內燃機鎳基高溫合金的重要材料。與鎳基合金相比,納米級氧化物顆粒在金屬間化合物基質中的分散旨在進一步提高高溫環境中的機械性能。各種納米級氧化物粒子的分散,導致更高的硬度、室溫和高溫強度。此外,納米級彌散體的加入促進了晶粒結構的顯著細化,這種結構在高溫下是穩定的。鐵和鈦鋁化物中的大量鋁會促進結構復雜的氧化物化合物,金屬間合金仍然是當前研究的主要部分。然而,迄今為止,還沒有基于金屬間合金的商用氧化物彌散強化合金。
ODS合金的增材制造
在增材制造中,金屬部件采用逐層工藝制造,通常使用金屬粉末或線材原料。今天,可以使用許多不同的3D打印工藝來制造金屬和復合材料。然而,微米級金屬顆粒和納米級氧化物顆粒的簡單混合通常導致氧化物顆粒的不均勻分布,并導致在ODS合金內的不均勻分散。因此,制造具有均勻分布的金屬和陶瓷成分的合適復合粉末對于通過3D打印工藝成功制造ODS合金至關重要。
因此,很多學者專門研究了制造粉末復合材料的技術,從而允許通過增材制造工藝可靠的制造ODS合金,這些復合粉末制造技術包括固體基、液體基和氣體基工藝。
對于典型的基于激光、電子束或電弧的熔化增材制造,復合粉末顆粒與高能輻射的相互作用、納米顆粒在熔池中的行為以及納米顆粒與凝固前沿的相互作用,決定了金屬基體合金中納米粒子的最終分布和尺寸。
基于粉末床的工藝可能是目前提出的基于熔融的增材制造工藝中最適合制造ODS合金的工藝技術,與基于送粉的DED工藝相比,它通過利用更小的光束直徑,從而最大限度地減少熔化階段分散的納米顆粒的粗化和浮選。但是,盡管使用常見的PBF工藝,但發現凝固后的納米粒子尺寸較寬。在這種情況下,顯然需要更多的模擬研究來理清對高動態熔池中納米粒子行為的影響因素,目前尚缺乏研究。
為了指導模擬方法,需要更深入的微觀結構表征,以便明確識別納米粒子化學成分和納米粒子在分散的金屬基質中的分配。原子探針層析成像 (APT) 是一種合適的工具,但似乎僅對于足夠小 (>100nm) 且以高數密度存在的特征才可靠。因此,使用高分辨率透射電子顯微鏡進行的補充檢查是有益的,可以表征不同長度尺度上的納米粒子分布,還可以提供有關基質和嵌入納米粒子相干性的信息。直接觀察納米顆粒的運動和團聚趨勢,將直接影響ODS合金的機械性能。為了證明增材制造的ODS合金的潛力,需要在廣泛的溫度范圍內進行深入的機械表征,包括靜態和動態表征(如蠕變檢查),這將允許將增材制造的ODS材料與傳統制造的對應材料進行基準測試。
研究發現,與傳統生產的ODS合金相比,增材制造的ODS合金的機械性能較差,但比非增強材料有更好的性能,尤其是在高溫環境中。因此,氧化物彌散強化材料將是一類非常有前途增材制造材料,尤其對于極端使用環境下。
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