多主元素合金

為了開發(fā) NASA 合金 GRX-810，NASA的研究人員使用計(jì)算模型來確定合金的成分。然后，該團(tuán)隊(duì)利用 3D打印將納米級(jí)氧化物均勻地分散在整個(gè)合金中，從而提高了高溫性能和耐用性能。與傳統(tǒng)的制造方法相比，這種制造工藝更高效、更具成本效益且更清潔。

▲a，GRX-810 的預(yù)測(cè)相位穩(wěn)定性。b, 0 K 時(shí)計(jì)算的 NiCoCr 三元相圖。表格顯示了 GRX-810 的標(biāo)稱組成（重量百分比）。

? Nature

高熵合金，通常也稱為多主元素合金 (MPEA)，是冶金界目前感興趣的一類材料，多主金屬合金 (MPEA)是指基體合金中含有大量金屬元素的金屬合金。多主元素合金是一類有利的材料，因?yàn)樗鼈兙哂辛钊擞∠笊羁痰臋C(jī)械和抗氧化性能，尤其是在極端環(huán)境中。研究人員通過人工智能模型驅(qū)動(dòng)的合金設(shè)計(jì)方法和基于激光的增材制造開發(fā)了一種新的氧化物彌散強(qiáng)化型 NiCoCr 基合金。 

這種氧化物彌散強(qiáng)化合金稱為 GRX-810，使用激光粉末床熔化3D打印技術(shù)將納米級(jí) Y2O3 顆粒分散到整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)中，通過對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率表征，展示了納米級(jí)氧化物在整個(gè) GRX-810 構(gòu)建中的成功結(jié)合和分散。 

通過GRX-810所3D打印的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器（燃料-空氣混合器）是在 NASA Glenn中心進(jìn)行 3D 打印的，這是具有挑戰(zhàn)性的組件之一，可以從應(yīng)用新的 GRX-810 合金中受益。與在 1,093°C 下廣泛用于增材制造的傳統(tǒng)多晶變形鎳基合金相比，GRX-810 的機(jī)械結(jié)果顯示強(qiáng)度提高了兩倍，蠕變性能提高了 1,000 多倍，抗氧化性提高了兩倍。這種合金的成功凸顯了與過去的“試錯(cuò)”方法相比，模型驅(qū)動(dòng)的合金設(shè)計(jì)如何能夠使用更少的資源提供卓越的成分，該策略可以更深入地了解工藝-微觀結(jié)構(gòu)-特性關(guān)系，并量化改進(jìn)的功能、特性和生命周期評(píng)估。這些結(jié)果展示了利用彌散強(qiáng)化與增材制造工藝相結(jié)合的未來合金開發(fā)將如何加速革命性材料的發(fā)現(xiàn)。

在過去十年中，大量科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了多主元素合金所展現(xiàn)的非凡特性。合金對(duì)可持續(xù)飛行的未來具有重大影響。例如，當(dāng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，ODS合金的更高溫度和更高的耐久性能轉(zhuǎn)化為減少燃料消耗并降低運(yùn)行和維護(hù)成本。這類合金也被證明是堅(jiān)固的，可以抵抗氫環(huán)境脆化，表現(xiàn)出改進(jìn)的輻照性能并在低溫下提供卓越的強(qiáng)度。因此，這些合金在高溫和腐蝕性環(huán)境中的眾多航空航天和能源應(yīng)用中顯示出巨大潛力，可以減輕重量并提高運(yùn)行性能。

? NASA

一種特別感興趣的 Cantor 合金衍生物是中等熵合金 NiCoCr。該合金系列在 Cantor 合金及其衍生物中提供了室溫下最高的強(qiáng)度。最近的研究發(fā)現(xiàn)，NiCoCr合金在冷軋后進(jìn)行部分再結(jié)晶熱處理時(shí)顯示出令人印象深刻的拉伸性能（1,100MPa 室溫屈服強(qiáng)度）。這些特性也歸因于應(yīng)變誘導(dǎo)的面心立方 (FCC) 到密排六方 (HCP) 相變和局部層錯(cuò)變化。最近還探索了 NiCoCr 與難熔元素和間隙元素的合金化和摻雜。研究人員還發(fā)現(xiàn)用 30ppm 的硼摻雜高熵合金 NiCoCrFeMn 可顯著提高強(qiáng)度和延展性，這歸因于硼的晶界和間隙強(qiáng)化。 

? 3D科學(xué)谷白皮書

最近的研究還發(fā)現(xiàn)，向NiCoCr 多主元素合金MPEA 添加碳可提高強(qiáng)度 。最后，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在 NiCoCr 中添加三個(gè)原子百分比 (at.%) 的 W 會(huì)產(chǎn)生更細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)（平均晶粒尺寸 1 μm），導(dǎo)致合金的屈服強(qiáng)度大幅增加（超過 1,000 MPa ，與非合金 NiCoCr 的 500MPa 相比），同時(shí)保持超過 50% 的卓越延展性。這些結(jié)果表明，多主元素合金MPEA 的顯著改進(jìn)仍然可以通過額外的合金化實(shí)現(xiàn)。

通過 L-PBF 選區(qū)激光熔融金屬3D打印工藝生產(chǎn)的ODS NiCoCr，其中納米級(jí) Y2O3 納米粒子通過高能混合過程涂在 NiCoCr 金屬粉末上，不需要任何粘合劑、流體或化學(xué)反應(yīng)。此過程不會(huì)變形或影響粉末球形形態(tài)，這對(duì)于高質(zhì)量AM-增材制造組件很重要。使用這種方法生產(chǎn)了一種 ODS 合金，與非 ODS 對(duì)應(yīng)物相比，該合金在 1,093°C 時(shí)的抗拉強(qiáng)度提高了 35%，延展性提高了三倍。

采用模型驅(qū)動(dòng)的合金設(shè)計(jì)方法來優(yōu)化 NiCoCr 合金，這一努力產(chǎn)生了一種新的組合物，該組合物通過L-PBF選區(qū)激光熔融金屬3D打印工藝構(gòu)建，這種新合金的特性，通過NASA格倫研究中心 810°C 以上的極端溫度 (GRX-810)，表明與其他市售高溫合金相比，蠕變強(qiáng)度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，抗拉強(qiáng)度提高了兩倍。研究人員探索了合金（NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS 添加少量 Re（1.5wt%）和 B（0.03wt%）（ODS-ReB））。這項(xiàng)研究證實(shí)了模型驅(qū)動(dòng)的合金設(shè)計(jì)和 AM-增材制造工藝的成熟，可以生產(chǎn)具有以前傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的特性的下一代材料。

更快的材料開發(fā)

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，模型驅(qū)動(dòng)以及人工智能算法驅(qū)動(dòng)的材料開發(fā)正在滲透到3D打印領(lǐng)域。此前，RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)DAP數(shù)字增材制造學(xué)院推出了快速合金開發(fā) (RAD) 的策略：使用預(yù)合金粉末材料作為起始基礎(chǔ)，并通過添加元素粉末有目的地進(jìn)行改性，以便有效地為優(yōu)化 PBF-LB加工過程創(chuàng)建新的合金組合。這其中還涉及到多種仿真方法，以及實(shí)驗(yàn)過程中開發(fā)的各種監(jiān)測(cè)手段。例如在 DAP 和 IEHK 的應(yīng)用示例中，研究人員通過精確調(diào)整碳含量 (C) 來修改預(yù)合金鋼粉末 (X30Mn22) 的性能。碳對(duì) PBF-LB 工藝中材料的可加工性以及增材制造部件的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有重大影響。為了研究不同粉末成分的性能，由不同比例的 X30Mn22 粉末和碳粉組成的粉末混合物來進(jìn)行PBF-LB 工藝（高達(dá) 1.2 wt% C）加工；所有組合物的相對(duì)密度均大于 99.8%。

在多主元素合金方面，美國(guó)馬里蘭大學(xué)李騰教授等人開發(fā)了一種以屬性為導(dǎo)向的MPEA設(shè)計(jì)策略，該策略將分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬、小樣本機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和遺傳算法 (GA) 相結(jié)合，以高效地同時(shí)優(yōu)化多個(gè)性能指標(biāo)。作為演示，ML模型可以通過54 次MD模擬進(jìn)行有效訓(xùn)練，以預(yù)測(cè)CoNiCrFeMn合金的剛度和臨界分辨剪切應(yīng)力 (CRSS)，相對(duì)誤差分別為2.77%和2.17%。

根據(jù)《人工智能+3D打印=？》一文，正如人工智能在藥物領(lǐng)域的作用，一款新藥從開始研發(fā)到臨床試驗(yàn)再到投入市場(chǎng)，通常需要10-15年；隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，將大大縮短藥物研發(fā)時(shí)間，提升效率和質(zhì)量。在制藥行業(yè)，人們有興趣實(shí)施AI驅(qū)動(dòng)的解決方案以發(fā)現(xiàn)新藥并加快將其推向市場(chǎng)的速度。食品和藥物管理局進(jìn)一步推動(dòng)了這種興趣，促進(jìn)將基于AI的技術(shù)用于藥物開發(fā)的創(chuàng)新?？傮w來說，AI和機(jī)器學(xué)習(xí)旨在改變藥物發(fā)現(xiàn)過程，從而降低財(cái)務(wù)成本和上市時(shí)間。

全世界有數(shù)以百萬計(jì)的商業(yè)材料，其特點(diǎn)是數(shù)百種不同的特性。使用傳統(tǒng)技術(shù)探索我們對(duì)這些材料所了解的信息，提出新的物質(zhì)，基質(zhì)和系統(tǒng)，是一個(gè)艱苦的過程，可能需要數(shù)月甚至數(shù)年。通過了解現(xiàn)有材料數(shù)據(jù)中的基礎(chǔ)相關(guān)性，估算缺失的屬性，人工智能可以快速，高效，準(zhǔn)確地提出具有目標(biāo)屬性的新材料 – 從而加快開發(fā)過程。

同樣的事情，將發(fā)生在3D打印領(lǐng)域的材料開發(fā)方面，人工智能將在兩個(gè)維度上發(fā)揮作用：降低材料開發(fā)的財(cái)務(wù)成本和開發(fā)周期。人工智能將在創(chuàng)建更堅(jiān)固、更輕、更靈活且生產(chǎn)成本更低的材料中發(fā)揮超乎想象的作用。

在這種特定情況下，機(jī)器學(xué)習(xí)通?？梢杂脕黹_發(fā)新材料。材料科學(xué)家只需要將所需的特性輸入程序，機(jī)器學(xué)習(xí)算法便可以預(yù)測(cè)哪些化學(xué)結(jié)構(gòu)單元可以在微觀水平上結(jié)合在一起，從而創(chuàng)建具有所需功能和特性的結(jié)構(gòu)。

下一期，將繼續(xù)分享GRX-810的微觀結(jié)構(gòu)及性能測(cè)試情況。