拉伸強(qiáng)度超1000GPa，新型3D打印高溫合金900℃高溫下性能依然出色

2025年9月26日，南極熊獲悉，國外研究人員在《材料與設(shè)計(jì)》（*Materials & Design*）期刊上發(fā)表的研究中，介紹了一種新型高熵鈷鎳基高溫合金（簡稱CoNi-HESA）。該合金專為高溫環(huán)境下的優(yōu)異性能設(shè)計(jì)，即便在900℃的高溫環(huán)境中，仍能保持出色性能，且適配激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造（AM）工藝。  

這種合金通過多元素組合，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高延展性，并能減少孔隙、裂紋等常見3D打印缺陷。其研發(fā)目標(biāo)是用于制造航空航天及能源領(lǐng)域的零部件（如風(fēng)力渦輪機(jī)部件），適用于傳統(tǒng)鎳基高溫合金常面臨焊接性與制造局限性的場景。  

為何選擇高熵合金？

傳統(tǒng)鎳基高溫合金（尤其是通過γ'相析出強(qiáng)化的合金）長期以來一直是渦輪葉片及其他耐高溫零部件的首選材料。然而，在增材制造過程中，這類合金的加工性能問題限制了其性能發(fā)揮。  

高熵合金（HEAs）由多種主元元素以近等原子比構(gòu)成，具備更優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及耐腐蝕性。其中，鈷鎳基高熵合金因熔點(diǎn)高、物相穩(wěn)定性佳且能形成高體積分?jǐn)?shù)的γ'相，格外具有應(yīng)用吸引力。盡管如此，將這類合金融入增材制造工藝仍面臨諸多挑戰(zhàn)。  

戰(zhàn)略性合金成分設(shè)計(jì)

CoNi-HESA合金的研發(fā)采用了熱力學(xué)建模方法，以確保合金體系的穩(wěn)定性與可制造性。其鈷（Co）與鎳（Ni）元素含量接近等原子比，同時(shí)添加了鉻（Cr）、鋁（Al）、釩（V）、鈦（Ti）、鉭（Ta）及鎢（W）等元素。這些元素共同作用，形成了穩(wěn)定的面心立方（FCC）基體，并析出高體積分?jǐn)?shù)的γ'相——這兩種結(jié)構(gòu)對合金的高溫強(qiáng)度與長期物相穩(wěn)定性至關(guān)重要。  

該合金粉末通過氬氣霧化法制備，最終得到粒徑介于20-63微米的球形粉末，完全適配增材制造需求。掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）及成分分析結(jié)果表明，該粉末具有良好的形貌與微觀結(jié)構(gòu)一致性，僅在表征過程中觀察到輕微的微偏析現(xiàn)象。  

增材制造工藝

研究團(tuán)隊(duì)使用雷尼紹（Renishaw）AM400系統(tǒng)，通過響應(yīng)面法對激光粉末床熔融（L-PBF）工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整范圍包括激光功率（110-190瓦）與掃描速度（550-850毫米/秒）。優(yōu)化目標(biāo)是在最大化零部件致密度的同時(shí)，最小化裂紋與孔隙缺陷的產(chǎn)生。  

研究人員采用光學(xué)顯微鏡與掃描電子顯微鏡分析熔池形貌、枝晶結(jié)構(gòu)及孔隙率；通過室溫與高溫環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)，評估了成型態(tài)合金的力學(xué)性能。  

優(yōu)異的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

CoNi-HESA合金的相對密度超過99%，微觀結(jié)構(gòu)完整性優(yōu)異。成型態(tài)零部件呈現(xiàn)出胞狀/枝晶狀結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的FCC相，且在枝晶間區(qū)域均勻分布著γ'析出相。  

高構(gòu)型熵是減緩合金相變與原子擴(kuò)散的關(guān)鍵，有效降低了缺陷形成概率。該合金在室溫下的抗拉強(qiáng)度超過1000GPa（GPa），延展性超過30%；即便在900℃的高溫環(huán)境中，仍能保持出色性能，這表明其具備在高溫環(huán)境下長期服役的潛力。  

尤為重要的一項(xiàng)成果是，該合金能夠抑制拓?fù)涿芘牛═CP）相的形成——TCP相是導(dǎo)致傳統(tǒng)高溫合金力學(xué)性能下降的常見問題。研究認(rèn)為，這一優(yōu)勢得益于精心設(shè)計(jì)的合金成分，以及熵對物相穩(wěn)定性的積極影響。  

通過響應(yīng)面法確定的優(yōu)化工藝窗口，清晰揭示了工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步印證了將合金設(shè)計(jì)與增材制造工藝控制相結(jié)合的重要性。  

高性能增材制造合金的發(fā)展前景

這項(xiàng)研究標(biāo)志著面向增材制造的高熵高溫合金設(shè)計(jì)取得重大突破。研究人員通過將熱力學(xué)建模與精準(zhǔn)工藝優(yōu)化相結(jié)合，成功制造出致密度高、缺陷少的零部件，可適配極端環(huán)境應(yīng)用需求。  

CoNi-HESA合金在廣泛溫度范圍內(nèi)兼具高力學(xué)強(qiáng)度與優(yōu)異微觀結(jié)構(gòu)性能，在需要高可靠性、高性能增材制造零部件的航空航天與能源領(lǐng)域，具有巨大應(yīng)用潛力。  


原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S026412752501161X