多主元素合金

為了開發(fā) NASA 合金 GRX-810，NASA的研究人員使用計算模型來確定合金的成分。然后，該團隊利用 3D打印將納米級氧化物均勻地分散在整個合金中，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 的預測相位穩(wěn)定性。b, 0 K 時計算的 NiCoCr 三元相圖。表格顯示了 GRX-810 的標稱組成（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，因為它們具有令人印象深刻的機械和抗氧化性能，尤其是在極端環(huán)境中。研究人員通過人工智能模型驅動的合金設計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化型 NiCoCr 基合金。 

這種氧化物彌散強化合金稱為 GRX-810，使用激光粉末床熔化3D打印技術將納米級 Y2O3 顆粒分散到整個微觀結構中，通過對其微觀結構的高分辨率表征，展示了納米級氧化物在整個 GRX-810 構建中的成功結合和分散。 

通過GRX-810所3D打印的渦輪發(fā)動機燃燒器（燃料-空氣混合器）是在 NASA Glenn中心進行 3D 打印的，這是具有挑戰(zhàn)性的組件之一，可以從應用新的 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 的機械結果顯示強度提高了兩倍，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”方法相比，模型驅動的合金設計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-微觀結構-特性關系，并量化改進的功能、特性和生命周期評估。這些結果展示了利用彌散強化與增材制造工藝相結合的未來合金開發(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。合金對可持續(xù)飛行的未來具有重大影響。例如，當用于噴氣發(fā)動機時，ODS合金的更高溫度和更高的耐久性能轉化為減少燃料消耗并降低運行和維護成本。這類合金也被證明是堅固的，可以抵抗氫環(huán)境脆化，表現(xiàn)出改進的輻照性能并在低溫下提供卓越的強度。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用中顯示出巨大潛力，可以減輕重量并提高運行性能。

? 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度。最近的研究發(fā)現(xiàn)，NiCoCr合金在冷軋后進行部分再結晶熱處理時顯示出令人印象深刻的拉伸性能（1,100MPa 室溫屈服強度）。這些特性也歸因于應變誘導的面心立方 (FCC) 到密排六方 (HCP) 相變和局部層錯變化。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 可顯著提高強度和延展性，這歸因于硼的晶界和間隙強化。 

? 3D科學谷白皮書

最近的研究還發(fā)現(xiàn)，向NiCoCr 多主元素合金MPEA 添加碳可提高強度 。最后，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在 NiCoCr 中添加三個原子百分比 (at.%) 的 W 會產生更細的晶粒結構（平均晶粒尺寸 1 μm），導致合金的屈服強度大幅增加（超過 1,000 MPa ，與非合金 NiCoCr 的 500MPa 相比），同時保持超過 50% 的卓越延展性。這些結果表明，多主元素合金MPEA 的顯著改進仍然可以通過額外的合金化實現(xiàn)。

通過 L-PBF 選區(qū)激光熔融金屬3D打印工藝生產的ODS NiCoCr，其中納米級 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、流體或化學反應。此過程不會變形或影響粉末球形形態(tài)，這對于高質量AM-增材制造組件很重要。使用這種方法生產了一種 ODS 合金，與非 ODS 對應物相比，該合金在 1,093°C 時的抗拉強度提高了 35%，延展性提高了三倍。

采用模型驅動的合金設計方法來優(yōu)化 NiCoCr 合金，這一努力產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，蠕變強度提高了幾個數(shù)量級，抗拉強度提高了兩倍。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））。這項研究證實了模型驅動的合金設計和 AM-增材制造工藝的成熟，可以生產具有以前傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)的特性的下一代材料。

更快的材料開發(fā)

根據(jù)3D科學谷的市場觀察，模型驅動以及人工智能算法驅動的材料開發(fā)正在滲透到3D打印領域。此前，RWTH亞琛工業(yè)大學DAP數(shù)字增材制造學院推出了快速合金開發(fā) (RAD) 的策略：使用預合金粉末材料作為起始基礎，并通過添加元素粉末有目的地進行改性，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，以及實驗過程中開發(fā)的各種監(jiān)測手段。例如在 DAP 和 IEHK 的應用示例中，研究人員通過精確調整碳含量 (C) 來修改預合金鋼粉末 (X30Mn22) 的性能。碳對 PBF-LB 工藝中材料的可加工性以及增材制造部件的拉伸強度和斷裂伸長率有重大影響。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行PBF-LB 工藝（高達 1.2 wt% C）加工；所有組合物的相對密度均大于 99.8%。

在多主元素合金方面，美國馬里蘭大學李騰教授等人開發(fā)了一種以屬性為導向的MPEA設計策略，該策略將分子動力學（MD）模擬、小樣本機器學習（ML）和遺傳算法 (GA) 相結合，以高效地同時優(yōu)化多個性能指標。作為演示，ML模型可以通過54 次MD模擬進行有效訓練，以預測CoNiCrFeMn合金的剛度和臨界分辨剪切應力 (CRSS)，相對誤差分別為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域的作用，一款新藥從開始研發(fā)到臨床試驗再到投入市場，通常需要10-15年；隨著數(shù)字經濟時代的到來，大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的應用，將大大縮短藥物研發(fā)時間，提升效率和質量。在制藥行業(yè)，人們有興趣實施AI驅動的解決方案以發(fā)現(xiàn)新藥并加快將其推向市場的速度。食品和藥物管理局進一步推動了這種興趣，促進將基于AI的技術用于藥物開發(fā)的創(chuàng)新?？傮w來說，AI和機器學習旨在改變藥物發(fā)現(xiàn)過程，從而降低財務成本和上市時間。

全世界有數(shù)以百萬計的商業(yè)材料，其特點是數(shù)百種不同的特性。使用傳統(tǒng)技術探索我們對這些材料所了解的信息，提出新的物質，基質和系統(tǒng)，是一個艱苦的過程，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)中的基礎相關性，估算缺失的屬性，人工智能可以快速，高效，準確地提出具有目標屬性的新材料 – 從而加快開發(fā)過程。

同樣的事情，將發(fā)生在3D打印領域的材料開發(fā)方面，人工智能將在兩個維度上發(fā)揮作用：降低材料開發(fā)的財務成本和開發(fā)周期。人工智能將在創(chuàng)建更堅固、更輕、更靈活且生產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，機器學習通?？梢杂脕黹_發(fā)新材料。材料科學家只需要將所需的特性輸入程序，機器學習算法便可以預測哪些化學結構單元可以在微觀水平上結合在一起，從而創(chuàng)建具有所需功能和特性的結構。

下一期，將繼續(xù)分享GRX-810的微觀結構及性能測試情況。