氧化物弥散强化合金
新闻来源：www.021zysy.com 发布时间：2023-09-11 15:08 浏览量：
氧化物弥散强化(ODS)合金，具有优异的抗蠕变性能、良好的高温组织稳定性和良好的抗辐照性能，是一类重要的高温应用合金。
它一种具有承受高中子通量的理想核包壳材料，具有弥散的柯氏气体团，形成超稳定的强化态，具有抗高温蠕变的特性。
欧洲地平线 HORIZON 在2020发起topAM 项目，支持开发3D打印ODS氧化物弥散强化合金。欧盟资助的 topAM 项目的目标是开发新的工艺路线，用于制造氧化物弥散强化合金，该合金由金属基体（FeCrAl、Ni 和 NiCu）组成，其中散布着小的氧化物颗粒。这些合金将作为3D打印增材制造的粉末生产，并为加工工业提供竞争优势。
重要且有前途的3D打印金属材料
氧化物弥散强化 (ODS)合金的特征在于纳米级氧化物颗粒均匀分散在金属基体中，通过Hall-Petch或Orowan机制阻碍位错运动，从而提高在大温度范围内的机械性能。此类材料应行业应用需求而开发，例如燃气轮机需要材料在高温下具有高强度和抗蠕变性，核反应需要材料具有抵抗高能中子气体冲击的能力。纳米级氧化物颗粒使材料具有了难以置信的性能优势，在核工业、涡轮机械、航空等领域具有重大应用价值，然而为极端环境研发氧化物弥散强化合金具有挑战性且成本高昂。
传统的粉末冶金氧化物弥散强化零件制造工艺涉及多个工艺步骤，包括通过机械合金化工艺制造复合粉末、通过不同烧结技术进行固结、后续热处理和最终减材成形。基于粉末的增材制造是一种很有前途的ODS材料生产路线，因为它允许直接从定制的粉末材料中进行近净形，从而显著缩短ODS合金的制造路线。然而就如同最初并没有专门的材料用于增材制造，ODS合金还没有针对增材制造的特征过程进行优化，因此无法充分利用这种制造技术的潜力。然而3D打印却还有一项重要应用，那就是开发新材料。
NASA3D打印开发氧化物弥散强化合金
NASA在今年4月新推出的GRX-810，是一种新的氧化物弥散强化NiCoCr基合金，使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造。该氧化物弥散强化合金（称作GRX-810），使用激光粉末床融合分散纳米级的Y2O3颗粒在整个微观结构中，而不使用资源密集型加工步骤，如机械或原位合金化。通过高分辨率表征其微观结构，成功地将纳米级氧化物掺入和分散在整个GRX-810构建体积中。GRX-810的机械结果显示，与在1093 °C下广泛用于增材制造的传统多晶锻造镍基合金相比，强度提高了两倍，蠕变性能提高了1000倍以上，抗氧化性提高了两倍。
GRX-810作为一种氧化物弥散强化合金，通俗的说，含有氧原子的微小颗粒散布在整个合金中，增强了合金的强度。这种合金是制造用于高温应用的航空航天部件的绝佳候选材料，例如飞机和火箭发动机内部的部件，因为它们可以在达到断裂点之前承受更恶劣的条件。
这种合金的成功也突出了模型驱动的合金设计如何使用比过去的“试错”方法少得多的资源来提供上级的成分。这些结果展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发如何加速革命性材料的发现。
ODS合金的基质材料
通过分散纳米级氧化物颗粒进行分散强化的概念可以应用于所有晶体结构材料。因此，这一概念可用于增强各种金属材料的机械和辐照性能，例如铁素体和奥氏体钢、镍基合金、基于镁的轻金属等结构材料、铝和钛以及基于钨和钼的难熔合金。然而，特殊合金的机械性能，如耐磨钴合金、基于铜的高导电材料，甚至先进的高熵材料等也受益于分散在其基体中的纳米颗粒。
1. 钢基ODS合金
钢材是最常用的结构材料，其具有从高强度到耐腐蚀和耐高温等级的众多性能，广泛应用于工程领域。如今许多商用ODS合金是基于低活化铁素体/马氏体的钢材料。这些钢的特点是具有不含易活化的合金元素，除此之外，奥氏体钢种在结构应用中也越来越受到关注。
1. 镍基ODS合金
镍基高温合金广泛用于航空航天领域，由于其卓越的高温强度和蠕变特性，它们也是内燃机中的重要材料。纳米级氧化物颗粒对镍基高温合金的额外强化旨在提高机械性能，例如高温条件下的强度和抗蠕变性。出于这个原因，市售的镍基合金，例如In625和Hastelloy X被认为是氧化物弥散强化镍基合金的基体合金。此外，γ'-强化镍基合金（如In718) 以及含有γ' 形成剂的钛和铝因其卓越的高温性能而被使用。
1. 金属间ODS合金
金属间合金在高温环境下比传统的镍基合金具有更高的比强度和出色的抗氧化性，因此引起了航空航天应用的极大兴趣。特别是，基于钛 (γ-TiAl) 和铁 (FeAl) 的铝化物以及基于钼 (Mo-Si) 和钒 (V-Si) 的硅化物被认为是替代现代内燃机镍基高温合金的重要材料。与镍基合金相比，纳米级氧化物颗粒在金属间化合物基质中的分散旨在进一步提高高温环境中的机械性能。各种纳米级氧化物粒子的分散，导致更高的硬度、室温和高温强度。此外，纳米级弥散体的加入促进了晶粒结构的显著细化，这种结构在高温下是稳定的。铁和钛铝化物中的大量铝会促进结构复杂的氧化物化合物，金属间合金仍然是当前研究的主要部分。然而，迄今为止，还没有基于金属间合金的商用氧化物弥散强化合金。
ODS合金的增材制造
在增材制造中，金属部件采用逐层工艺制造，通常使用金属粉末或线材原料。今天，可以使用许多不同的3D打印工艺来制造金属和复合材料。然而，微米级金属颗粒和纳米级氧化物颗粒的简单混合通常导致氧化物颗粒的不均匀分布，并导致在ODS合金内的不均匀分散。因此，制造具有均匀分布的金属和陶瓷成分的合适复合粉末对于通过3D打印工艺成功制造ODS合金至关重要。
因此，很多学者专门研究了制造粉末复合材料的技术，从而允许通过增材制造工艺可靠的制造ODS合金，这些复合粉末制造技术包括固体基、液体基和气体基工艺。
对于典型的基于激光、电子束或电弧的熔化增材制造，复合粉末颗粒与高能辐射的相互作用、纳米颗粒在熔池中的行为以及纳米颗粒与凝固前沿的相互作用，决定了金属基体合金中纳米粒子的最终分布和尺寸。
基于粉末床的工艺可能是目前提出的基于熔融的增材制造工艺中最适合制造ODS合金的工艺技术，与基于送粉的DED工艺相比，它通过利用更小的光束直径，从而最大限度地减少熔化阶段分散的纳米颗粒的粗化和浮选。但是，尽管使用常见的PBF工艺，但发现凝固后的纳米粒子尺寸较宽。在这种情况下，显然需要更多的模拟研究来理清对高动态熔池中纳米粒子行为的影响因素，目前尚缺乏研究。
为了指导模拟方法，需要更深入的微观结构表征，以便明确识别纳米粒子化学成分和纳米粒子在分散的金属基质中的分配。原子探针层析成像 (APT) 是一种合适的工具，但似乎仅对于足够小 (>100nm) 且以高数密度存在的特征才可靠。因此，使用高分辨率透射电子显微镜进行的补充检查是有益的，可以表征不同长度尺度上的纳米粒子分布，还可以提供有关基质和嵌入纳米粒子相干性的信息。直接观察纳米颗粒的运动和团聚趋势，将直接影响ODS合金的机械性能。为了证明增材制造的ODS合金的潜力，需要在广泛的温度范围内进行深入的机械表征，包括静态和动态表征（如蠕变检查），这将允许将增材制造的ODS材料与传统制造的对应材料进行基准测试。
研究发现，与传统生产的ODS合金相比，增材制造的ODS合金的机械性能较差，但比非增强材料有更好的性能，尤其是在高温环境中。因此，氧化物弥散强化材料将是一类非常有前途增材制造材料，尤其对于极端使用环境下。
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