新型高温合金再获突破

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，要提高材料的抗温与持久能力，还有待开发以氧化铝为氧化层的新合金。

近日，该组研究者再次成功设计了此类新合金，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为题发表在Additive Manufacturing上。

高温合金在极端环境具有长期的结构稳定性，这与其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。根据氧化层成分可以划分为含Cr 或含Al 元素高温合金。如IN718、Waspaloy 等属于前者，而CMSX-4、CM247LC 则属于后者。由于含Cr 的氧化层在1000℃以上不稳定，容易碎裂或挥发从而失去保护性，因此应用温度低于含Al 元素的合金。

左图为不同(Nb+Ta)/Al 比例的多维性能优化图。

该研究工作中，研究者们通过ABD 方法设计了3 种成分的含Al 高温合金，通过大量试验，测试了3种材料的工艺加工性，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。3 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，其具体比例应该根据应用条件而选择。

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。