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一類重要且有前途的3D打印金屬材料——氧化物彌散強化合金

2023-08-21 10:07 作者:3D打印技術(shù)參考 0人讀過 | 我要投稿

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(nèi)的機械性能。此類材料應行業(yè)應用需求而開發(fā)，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(yōu)勢，在核工業(yè)、渦輪機械、航空等領(lǐng)域具有重大應用價值，然而為極端環(huán)境研發(fā)氧化物彌散強化合金具有挑戰(zhàn)性且成本高昂。

ODS材料的增材制造：a)用于核聚變?托卡馬克型反應堆 b) 渦輪機械應用c)太空飛機d)渦輪風扇發(fā)動機。用于通過增材制造的ODS材料的定制粉末原料制造和表征：e) 具有優(yōu)化流變特性的復合粉末；f）用納米級氧化物納米顆粒均勻分散的微米級金屬顆粒的示意圖g) 氣體霧化反應合成制造的粉末顆粒的截面SEM圖像

傳統(tǒng)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(jié)技術(shù)進行固結(jié)、后續(xù)熱處理和最終減材成形。基于粉末的增材制造是一種很有前途的ODS材料生產(chǎn)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(yōu)化，因此無法充分利用這種制造技術(shù)的潛力。然而3D打印卻還有一項重要應用，那就是開發(fā)新材料。NASA在今年4月新推出的GRX-810，就是一款借助熱力學建模和3D打印開發(fā)的氧化物彌散強化合金，它可以承受超過1000℃的溫度，更具延展性，比現(xiàn)有最先進的合金壽命長1000倍以上。

傳統(tǒng)制造路線與ODS合金增材制造路線的比較。傳統(tǒng)的制造路線包括機械合金化的復合粉末制造工藝，然后是罐裝和隨后的熱等靜壓和粉末冶金固結(jié)工藝。固結(jié)后，需要對零件進行熱處理和減材成型。增材制造路線使用復合粉末原料，包括成形和后續(xù)熱處理

ODS合金的機械性能

ODS合金的機械性能受固溶硬化機制控制，固溶硬化主要由基體合金的化學成分決定，以及由氧化物納米粒子在基體合金中的分散引起的彌散硬化，特別是在晶界附近。ODS合金中的彌散硬化歸因于Orowan機制，該機制描述了通過形成前進位錯線的位錯環(huán)來繞過不可切割納米顆粒的機制。因此，彌散體硬化的有效性主要取決于周圍金屬基質(zhì)內(nèi)嵌入納米顆粒的數(shù)量密度、尺寸分布和相干性。通過降低位錯攀爬過程旁路機制的驅(qū)動力，需要優(yōu)先相干納米粒子，分散的納米顆粒的強度貢獻則可以通過方程式估計。

氧化物彌散強化合金中Orowan機制的示意圖

位于晶界上的分散氧化物納米顆粒能夠釘扎晶界，并能有效抑制位錯蠕變和擴散蠕變。它被認為是高溫環(huán)境下低應變率下多晶高溫合金的主要變形機制，因此對于長時間在高溫下使用的材料退化起決定性作用。分散的氧化物納米粒子對上述機制的抑制對于細晶粒微結(jié)構(gòu)變得更加重要，因為金屬增材制造的重要特征就是產(chǎn)生細晶粒。長時間在高溫環(huán)境中穩(wěn)定的晶界結(jié)構(gòu)能有效抑制再結(jié)晶過程，這可能要歸功于氧化物納米顆粒簇的極低界面能以及氧化物在金屬基質(zhì)中的低溶解度及其高熔點。因此，與未增強的合金相比，ODS合金的特點是在室溫和高溫條件下都具有更高的強度，并表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蠕變性。

a) 雙離子輻照RAF鋼的TEM圖像，顯示由輻照時產(chǎn)生的氦氣形成的空腔（用紅色箭頭表示）b) 在 750 °C 下退火100小時后，根據(jù)APT測量重建He植入的 14YWT ODS鋼

納米級氧化物顆粒在金屬基體中的均勻分散可以提高機械性能，并增強合金對高能中子輻射的抵抗力。嵌入的納米級氧化物與周圍金屬基體的界面充當輻射誘導晶格缺陷的有效陷阱，能有效抑制宏觀降解效應。

ODS合金的基質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。

鋼基ODS合金

鋼材是最常用的結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(jié)構(gòu)應用中也越來越受到關(guān)注。

鎳基ODS合金

鎳基高溫合金廣泛用于航空航天領(lǐng)域，由于其卓越的高溫強度和蠕變特性，它們也是內(nèi)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。

金屬間ODS合金

金屬間合金在高溫環(huán)境下比傳統(tǒng)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(xiàn)代內(nèi)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(zhì)中的分散旨在進一步提高高溫環(huán)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(jié)構(gòu)的顯著細化，這種結(jié)構(gòu)在高溫下是穩(wěn)定的。鐵和鈦鋁化物中的大量鋁會促進結(jié)構(gòu)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(nèi)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(guān)重要。

因此，很多學者專門研究了制造粉末復合材料的技術(shù)，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(shù)包括固體基、液體基和氣體基工藝。

ODS合金的增材制造工藝

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(shù)，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(fā)現(xiàn)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(tài)熔池中納米粒子行為的影響因素，目前尚缺乏研究。

含氧氣氛中AM過程氧化物納米粒子的形成機制，包括熔池表面氧分子（雙紅球）的解離和氧原子（單紅球）在熔池中的溶解，與溶解的釔原子反應（綠色球體）在熔池中形成氧化釔（綠色和紅色球體相互附著）。氧化釔分散在凝固的金屬基質(zhì)中

AM凝固過程中納米粒子與枝晶相互作用的說明性描述，枝晶結(jié)構(gòu)內(nèi)吞沒的納米粒子和枝晶臂之間截留的納米粒子（綠色球體），右：納米粒子團聚體（藍色球體）被推到枝晶尖端的前面；左樹突內(nèi)部有納米顆粒（紅色球體）被吞沒的樹突橫截面

為了指導模擬方法，需要更深入的微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shù)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(guān)基質(zhì)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(nèi)進行深入的機械表征，包括靜態(tài)和動態(tài)表征（如蠕變檢查），這將允許將增材制造的ODS材料與傳統(tǒng)制造的對應材料進行基準測試。

研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)生產(chǎn)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(huán)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(huán)境下。

推薦文獻：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101049

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