增材制造顶刊：新型高温合金再获突破
编辑推荐：高温合金应用于航天航空的关键结构件，其传统制造工艺十分繁琐。金属3D打印作为数字化制造的生力军有望颠覆这一现状。然而，大部分传统高温合金会在打印过程中产生大量的微观缺陷从而无法付诸应用。因此，新型高温合金的设计势在必行。
2021年，牛津大学的Reed 研究组通过合金设计方法（Alloys-By-Design/ABD）成功设计出两款新型可增材制造的高性能高温合金。这两款新型合金的氧化层均为氧化铬（Chromia-forming），想要提高材料的抗温与持久能力，氧化铝（Alumina-forming）作为氧化层的新合金还有待开发。近期，该组研究者们再次成功设计了此类新合金。它具有更高的强化相比例分数且不会在打印中产生微裂纹，并通过调控(Nb+Ta)/Al 比例获得最优的抗氧化性与力学性能。该成果以“A New Class of Alumina-Forming Superalloys for 3D printing”发表于近期的增材制造顶刊《Additive Manufacturing》，通讯作者为牛津大学汤元博博士。
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高温合金在极端环境具有长期的结构稳定性，这与它的抗氧化性是密不可分的。此种材料在高温作用下会迅速通过氧气与铬（Cr）或者铝（Al）形成致密的氧化层从而保护基体不被继续氧化。通过氧化层的成分可以划分为含Cr或含Al元素高温合金。例如IN718，Waspaloy等都属于前者，而CMSX-4或者CM247LC则属于后者。由于含Cr的氧化层在1000 °C以上会不稳定，容易碎裂或挥发从而失去保护性，因此应用温度低于含Al合金。
该工作中，研究者们通过ABD方法设计了三种成分的含Al高温合金，并通过调控(Nb+Ta)/Al 比例使平衡态伽马一撇相比例分数维持为0.5（900 °C）。通过大量实验，对三种材料测试了其工艺加工性，以及不同热处理条件下的力学性能，蠕变性能，抗氧化性等，同时以CM247LC合金作为标杆进行比较。
图一：三种新型合金在打印后有少许气孔但没有微裂纹，而CM247LC产生了大量微裂纹。
图二：微观X射线断层扫描两种材料打印的涡轮部件。新合金与CM247LC都在表面附近有大量气孔，这是由于表层的激光参数导致的。通过分析可以看到CM247LC的内部开裂密集且成片状。
图三：不同热处理条件下的微观组织。通过原子探针手段（APT）可以看出不同(Nb+Ta)/Al比例对伽马一撇强化相的成分有影响，预示其力学性能也会因此变化。
图四：两种不同的热处理的力学测试。过固溶（super-solvus）导致材料脆化，而亚固溶（sub-solvus）可以获得可观的强度与延展。
图五：亚固溶热处理下的力学性能对比。
图六：不同热处理下的蠕变性能对比。
图七： 1000°C氧化实验对比。新型高温合金（1 & 2）的抗氧化性明显优于传统CM247LC合金。
图八：800 °C氧化助断裂（Oxidation assisted cracking）性能对比。新合金（1 & 2）受氧化影响较小。
图九：不同(Nb+Ta)/Al比例的多维性能优化图
综上所述，三种不同(Nb+Ta)/Al比例的含Al新型高温合金被成功设计，且3D打印后不会形成微裂纹。其中超固溶热处理会导致材料在高温脆化，而亚固溶则可以保持相当的高温延展和强度。提高(Nb+Ta)/Al比例可以增加材料强度，然而也会降低抗氧化性能，其具体比例应该由应用条件而选择。此项工作证实了多维度性能优化在材料设计中的重要性，为今后增材制造高温合金的发展提供了指南。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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W工大《Scripta Mater》：揭示镍基高温合金γ/γ′界面的Re偏析
镍基高温合金由于γ/γ′显微组织而具有优异高温性能和机械性能，已广泛应用于航空发动机涡轮叶片等。虽然在镍基单晶(Ni-SX)高温合金的设计和开发中不考虑晶界的影响，但合金的失效行为仍然很复杂，涉及许多微观效应，其中之一是基体扩散控制的γ′析出相的粗化行为。大量实验表明，铼(Re)的加入能够显著降低γ′相的粗化动力学。已有研究表明，在Ni-Al-Cr合金中加入2% Re使γ′粗化动力学降低了约两个数量级，然而对反应机理仍有不同的看法。在大多数报道中认为Re降低合金的扩散系数，从而提高高温稳定性，有效地阻碍了γ′粗化。然而另有报道认为在γ基体中其他溶质的扩散率几乎不受Re的影响。因此，Re对γ/γ′相的影响机理仍有待进一步研究和探索。
W北工业大学的研究人员揭示了Ni-SX高温合金在长期时效过程中，界面上Re偏析的形成，深入探讨了Re在Ni-SX合金中的作用，成功地确定了Re在γ/γ′界面的偏析现象以及Re与γ′粗化的相互影响。相关论文以题为“Unveiling the Resegregation at γ/γ′ interface inNi-based superalloy”发表在Scripta Materialia。
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合金成分为：Ni-10Cr-9Co-0.5Mo-4W-4.3Al-2.5Ti-2Re-5Ta(wt%)。采用Bridgeman定向凝固法沿[001]方向对3个单晶锭进行定向凝固，进行1240℃/2h+1260℃/4h+1265℃/2h(空冷)；1130℃×4h(空冷)；870℃×20h(空冷)热处理，下文简称为SHT。SHT后分别在900℃和1000℃进行等温长时效(2000h空冷)，下文简称为LTAT900和LTAT1000。
研究发现SHT析出相的平均尺寸为0.41μm，LTAT900和LTAT1000析出相平均尺寸分别为0.68μm和1.21μm。SHT中γ′体积分数为57.6%，LTAT900为51.2%，LTAT1000为48.1%。在较高温度(950-1100℃)时，Re在基体中的扩散率小于γ′相生长的实际扩散，Re的扩散效率较低，Re原子在γ/γ′界面不断积累并形成偏析。而在低温(800-900℃)时，Re的扩散与γ′相的生长持平，Re原子能够扩散而避免在界面上聚集。
图1 SHT、LTAT900和LTAT1000的TEM图
图2 (a) LTAT1000的APT结果；(b) γ/γ′界面分析；(c) γ/γ′界面Re富集；(d) γ/γ′界面Re分布图
图3 (a)Re、(b)Ta在SHT、LTAT900和LTAT1000的γ/γ′界面上的一维分布。(c) γ和γ′相之间的元素分配系数和元素扩散示意图
图4 (a)不同温度下γ′粗化过程中有效扩散(De)与Re在γ基体中的扩散(DRe)比较；γ′粗化过程中γ/γ′界面Re偏析形成机制：(b)低温(800-900℃)、(c)高温(950-1100℃)
在高温时效过程中，γ′相发生严重粗化，Cr、Co、Mo、Re元素几乎不向γ′相扩散，而Al、Ti、Ta扩散到γ′相中，完成γ′生长。稀土在界面上的偏析形成机制可以概括为两个不同的阶段：高温阶段和低温阶段。在较高的温度(950-1100℃)下，γ基体中的Re扩散率大大低于γ′相的扩散，无法实现γ′相的平衡生长，因此随着γ/γ′界面的迁移，Re原子在界面处努力扩散并不断积累，形成Re偏析。而在较低温度(800-900℃)时，Re扩散能够平衡γ′相生长的有效扩散，Re原子更容易扩散，避免在界面上聚集。高温阶段γ′相的驱动力较大，而冷却阶段γ′相的驱动力较小。本文研究了Ni-SX高温合金在不同热处理后γ/γ′界面上的Re偏析现象，对Ni-SX高温合金的设计开发提供了理论基础。（文：破风）
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