극한 환경을 위해 설계된 3D 프린팅 가능한 합금

Nature 617권, 513~518페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

다원소 합금은 특히 극한 환경에서 인상적인 기계적 특성과 내산화성 특성으로 인해 사용 가능한 재료 클래스입니다1,2. 여기에서는 모델 기반 합금 설계 접근 방식과 레이저 기반 적층 제조를 사용하여 새로운 산화물 분산 강화 NiCoCr 기반 합금을 개발합니다. GRX-810이라고 불리는 이 산화물 분산 강화 합금은 기계적 또는 현장 합금과 같은 자원 집약적인 처리 단계를 사용하지 않고 레이저 분말층 융합을 사용하여 나노 규모의 Y2O3 입자를 미세 구조 전체에 분산시킵니다3,4. 우리는 미세 구조의 고해상도 특성화를 통해 GRX-810 빌드 볼륨 전체에 나노 규모 산화물의 성공적인 통합 및 분산을 보여줍니다. GRX-810의 기계적 결과는 1,093°C에서 적층 제조에 광범위하게 사용되는 기존의 다결정 단조 Ni 기반 합금에 비해 강도가 2배 향상되고 크리프 성능이 1,000배 이상 향상되었으며 내산화성이 2배 향상된 것으로 나타났습니다5,6. 이 합금의 성공은 모델 기반 합금 설계가 과거의 '시행 착오' 방법에 비해 훨씬 적은 자원을 사용하여 어떻게 우수한 구성을 제공할 수 있는지를 강조합니다. 이러한 결과는 적층 제조 공정과 결합된 분산 강화를 활용하는 미래 합금 개발이 어떻게 혁신적인 재료의 발견을 가속화할 수 있는지를 보여줍니다.

일반적으로 다중 주원소 합금(MPEA)이라고도 불리는 고엔트로피 합금은 현재 야금학계에서 관심을 끌고 있는 재료 종류입니다1,2,7,8,9. 지난 10년 동안 수많은 과학적 조사를 통해 이러한 합금이 나타내는 놀라운 특성이 밝혀졌습니다7,10,11,12,13. 가장 많이 조사된 MPEA 제품군 중 하나는 Cantor 합금 CoCrFeMnNi 및 그 파생물입니다2,8,14. 이 합금 그룹은 우수한 변형 경화를 보여 높은 인장 강도와 연성을 가져왔습니다7,15,16,17,18. 강도-연성 트레이드오프를 극복하는 것은 국부적으로 가변적인 적층 결함 에너지 및 자기 구동 위상 변환과 같은 원자 규모 변형 메커니즘의 결과입니다. 이 종류의 합금은 견고하고 수소 환경 취성에 저항하며21 향상된 조사 특성을 나타내며22 극저온에서 우수한 강도를 제공하는 것으로 입증되었습니다23. 결과적으로 이러한 합금은 고온 및 부식성 환경에서 수많은 항공우주 및 에너지 응용 분야에 큰 잠재력을 보여 무게를 줄이고 더 높은 성능의 작동을 가능하게 합니다.

특별한 관심을 끄는 Cantor 합금 파생물 중 하나는 중간 엔트로피 합금 NiCoCr입니다. 이 합금 계열은 Cantor 합금 및 그 파생물 중에서 실온에서 가장 높은 강도를 제공합니다2,24. 최근 이 합금은 냉간 압연 후 부분 재결정 열처리를 받을 때 인상적인 인장 특성(1,100MPa 실온 항복 강도)을 제공하는 것으로 나타났습니다17. 이러한 특성은 또한 변형으로 인한 FCC(면심 입방체)에서 HCP(육각형 밀집형) 상 변환 및 국부적 적층 결함 변화에 기인합니다. 내화성 원소 및 격자간 물질과 NiCoCr의 합금화 및 도핑도 최근에 연구되었습니다. 설 외. 30ppm의 붕소로 고엔트로피 합금인 NiCoCrFeMn을 도핑하면 붕소의 결정립계와 격자간 강화로 인해 강도와 연성이 크게 향상된다는 사실을 발견했습니다25. 최근 연구에서는 MPEA에 탄소를 첨가하면 강도가 향상되는 것으로 나타났습니다26,27,28. 마지막으로 Wu 등29은 NiCoCr에 W를 3원자 백분율(at.%) 첨가하면 더 미세한 결정립 구조(평균 결정립 크기 1μm)가 생성되어 합금의 항복 강도가 크게 증가(1,000MPa 이상)한다는 사실을 발견했습니다. , 비합금 NiCoCr의 경우 500MPa와 비교) 50% 이상의 탁월한 연성을 유지합니다(참조 29). 이러한 결과는 추가 합금을 통해 FCC MPEA 시스템의 상당한 개선이 여전히 실현될 수 있음을 시사합니다.

dislocations mostly dissociated into observable intrinsic stacking faults bound by 1/6<112> Shockley partials. Dissociated dislocations mutually interact and form numerous extended stacking-fault node configurations. The density of these dissociated dislocations and grain structure of GRX-810 is better shown in the lower resolution microstructural characterization shown in Extended data Fig. 4. In addition, the presence of numerous stacking-fault tetrahedra and prevalent dislocation interaction with oxides is observed. Stacking-fault tetrahedra have been found to further inhibit dislocation motion and may further improve the creep and tensile properties of this alloy40. Figure 2c,d shows solute segregation of Cr, W and Re at the grain boundary, with Ni and Co depleted. The EDS map in Fig. 2c also shows the presence of Nb/Ti-rich metal carbides predicted by the thermodynamic models to be stable up to alloy melting temperature. This analysis was further validated through SEM as shown in Extended Data Fig. 5. High-resolution high-angle annular dark-field (HAADF)–STEM analysis of the GRX-810 lattice was performed to explore whether local chemical ordering exists in this alloy, as has been found in other high-entropy alloys41,42. The analysis in Fig. 2e,f shows that, despite possessing L12-forming elements such as Al, Ti and Nb, the lattice maintained a perfect solid solution with no short-range elemental ordering present43./p>