全文6600字，阅读需10分钟。本文简述NASA3D打印超级高低温合金GRX-810的Nature文章成果。
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AM易道导语：
昨日简述了GRX-810这款新型的高温合金材料，今天从学术角度更加细节的解析这个材料的始末。
本文的完整PDF获取信息在文末。
这个“超级高温合金”材料横空出世于去年的Nature正刊。
GRX-810的创新之处
在过去的几十年里，高温合金的发展几乎陷入停滞。
传统的镍基高温合金，如Inconel 718、Inconel 625等，在1000℃以上的环境中性能会急剧下降。
为了突破这一瓶颈，NASA研究团队采用了一条全新的技术路线。
a、预测的 GRX-810 相稳定性。b 、计算的0 K下 NiCoCr 三元相图。a 、红线上方的体心立方 (BCC) 富铬相的能量低于 FCC 或 HCP；虚线蓝线表示亚稳态 HCP 和 FCC 的E (HCP) = E (FCC)，它们能量高于 BCC。实线蓝线将能量最低的 HCP 富钴相和 FCC 富镍相分隔开来。
从Nature论文中公布的相图和成分设计可以看出，GRX-810采用了极其巧妙的成分配比：以镍（Ni）、钴（Co）、铬（Cr）为基础，配以精心设计的合金元素。
其中，基础配比为33%钴和29%铬（重量百分比），这个比例是经过大量计算优化得出的。
更关键的是，研究团队在此基础上添加了一系列性能调控元素：1.5%铼、0.3%铝、0.25%钛、0.75%铌、3.0%钨和0.05%碳。
每种元素的添加都经过精确计算，以实现多重强化效果。
这种合金设计采用了两个重要创新：首先是多主元（或称高熵）合金的理念。
传统合金通常以一种元素为主，而GRX-810采用了多种元素等量配比的设计思路，这种设计能够带来更稳定的固溶体结构和更优异的综合性能。
其次是氧化物弥散强化技术，通过在合金中引入纳米级的Y2O3颗粒，显著提升材料的高温强度和稳定性。
更令人惊叹的是开发过程中采用的方法。
研究团队抛弃了传统的"试错法"，而是采用了模型驱动的合金设计方法。
通过CALPHAD（相图计算）和密度泛函理论（DFT）等计算材料学方法，他们建立了一个包含四个关键约束的优化模型：
最大化固溶强化效应 确保面心立方结构的稳定性 实现高温稳定的碳化物形成 控制凝固温度范围在100℃以内以确保可打印性
这就像是用超级计算机为材料"照X光"，能够预测材料在原子层面的行为。计算结果揭示了一个非常有趣的现象：
想象一下搭积木，原子们在极低温度（0K）时倾向于采用一种称为六方密排（HCP）的方式排列，就像将六边形的积木紧密地堆在一起。
但当温度升高时，原子们更喜欢采用面心立方（FCC）的排列方式，这种结构就像是将立方体积木按照特定方式堆叠。
a – i ，沿选定线 ( a )计算零压力下 A1 (FCC)、A2 (BCC) 和 A3 (HCP) 相的形成能与成分的关系：b，四元 (NiCoCr) (1-x)/3 Re x；c – f，三元；以及g，i，二元合金。
从图中的能量计算结果我们可以看到：
在不同的成分配比下，材料呈现出不同的相稳定性倾向
能量曲线显示HCP和FCC两种结构的能量差异很小，这意味着它们可以相对容易地相互转化
特别是在添加了铼（Re）元素后，这种转变变得更加容易
这种结构转变的特性非常重要：
在低温下，材料可以通过HCP相的形成来提高强度，这解释了为什么GRX-810在低温下具有如此高的强度
在高温下，FCC相的稳定性又保证了材料良好的塑性和韧性
两种相之间的转变过程可以吸收能量，提高材料的抗疲劳性能
通过这种精确的计算模拟，研究团队就像是给材料设计带上了"GPS导航"，不用再像过去那样靠反复试错来找路。
在超过1000万种可能的成分组合中，他们能够准确地预测每种配方的性能，最终找到了最优的GRX-810配方。
AM易道认为，这种计算驱动的设计方法开创了材料开发的新范式。
它不仅大大提高了开发效率，更重要的是能够从原子尺度理解和预测材料性能，为新材料的定向设计提供了科学指导。
a、b、室温下原状合金（a）和 HIP 合金（b）的工程应力-应变曲线。1% 和 2% 应变之间的阶跃是由于拉伸应变率的增加，这与 ASTM E8 标准一致。c 、原状和 HIP NiCoCr、NiCoCr-ODS、ODS-ReB 在 30MPa 下的 1,093°C 蠕变曲线。d、包含 GRX-810 曲线的相同测试。
a 、1093° C下原态合金和 HIP 合金的工程应力-应变曲线。b 、不同合金的极限拉伸强度比较。文献提供了锻造 718 和 625 的强度。44 c 、 20 MPa 下原态和 HIP NiCoCr、NiCoCr-ODS 和 ODS-ReB 的 1093°C 蠕变曲线。d 、包括 GRX-810 曲线的相同测试。为了更好地与传统高温超合金进行比较，在 20 MPa下显示了 AM 718、625 和 H230 的额外测试。误差线对应于 1 个标准差
强度提高了2倍 保持了良好的延展性 热等静压处理后的样品展现出更稳定的性能表现
长期蠕变性能
在蠕变性能方面，GRX-810的表现更是令人惊叹。
在1093℃、20MPa的标准测试条件下：
热等静压处理后的样品在6500小时后才发生断裂 原始打印态样品在2800小时后仍未达到1%应变 相比之下，AM 718、AM 625和Haynes 230在40小时内就已失效
a、b、GRX-810 和高温合金 718 在 1,093 °C ( a ) 和 1,200 °C ( b ) 下循环氧化结果，最长 35 小时。c 、在 1,093 °C 下氧化 100 小时和在 1,200 °C 下氧化 3 小时后的氧化样品光学图像，此时高温合金 718 样品出现灾难性氧化。以上三个样品均为 GRX-810。d 、在 1,093 °C 和 1,200 °C 下热循环 100 小时后的 GRX-810 样品。误差线代表 1 个标准差
GRX-810的氧化失重率仅为AM 718的一半 氧化层具有更好的结合力，很少发生剥落 循环过程中的质量变化曲线更加平稳，表明氧化行为更加可控
在1200℃的极端条件下表现更为突出：
AM 718在3小时内就发生了灾难性失效 而GRX-810即使在100小时循环后仍保持结构完整 氧化层分析显示形成了致密的保护性氧化膜，这是其优异抗氧化性能的关键 a、b 、GRX-810 和超级合金 718 在 1,093 °C ( a ) 和 1,200 °C ( b ) 温度下长达 100 小时的循环氧化结果。误差线对应于 1 个标准差。
AM易道认为，GRX-810的综合性能突破具有重要意义：
其打破了传统认知中强度与韧性难以兼顾的困境；
并且材料在全温度范围内都表现出色，这种全谱系的适应性为其在复杂工况下的应用提供了可能；
最重要的是，其持久性能的突破性提升将显著延长关键部件的使用寿命，这对降低装备维护成本、提高可靠性具有重要意义。
关键制造工艺解析
a、b、未包覆的ReB金属粉末颗粒（a）和包覆的ReB金属粉末颗粒（b）的二次电子SEM图像。c 、b中涂层的高分辨率图像。
包覆后的粉末仍保持着理想的球形度，这对于后续的激光打印至关重要；
在激光粉末床熔融（L-PBF）工艺方面，研究团队使用EOS M100和M280设备进行了系统的工艺优化。
优化打印参数后的 GRX-810 成品光学显微镜图像。图像分割分析表明成品部件的密度高于 99.97%。
a、XY 构建平面和 YZ 构建平面的电子背散射衍射 (EBSD) 反极图地图，其中 Z 轴代表构建方向。代表的是原样和 HIP 样品的地图。原样和 HIP 后晶粒结构之间没有观察到显著差异。b 、未经测试的 HIP GRX-810 的STEM -EDS Y、Cr 和 Ni 图以及相应的 LAADF-DCI 显微照片。
在微观结构控制策略方面，研究团队采取了多层次的设计：
a、b 、二次电子 SEM 图像显示了 ( a ) 成品 GRX-810 和 ( b ) HIP GRX-810 横向于构建方向 (XY)的微观结构。在b中的高分辨率图像中，可以观察到MC碳化物和纳米级Y2O3颗粒。
深入理解GRX-810的性能机理
a、在 1,093 °C / 20 MPa 温度下测试的 ODS-ReB 成品样品的光学横截面。b 、样品高塑性区域中的蠕变孔隙/过载开裂以及富铬氮化物。c 、从断裂表面移除的区域，显示蠕变空洞形成和氮化物形成不足。d 、在 1,093 °C / 20 MPa温度下测试的 GRX-810 成品样品的微观结构代表性显微照片，该样品在 2,800 小时后以 1% 应变终止。未观察到蠕变空洞形成，但可以看到沿晶粒边界存在富铝和富铬氮化物相。e 、来自同一 GRX-810 成品样品的夹持部分的微观结构代表性显微照片，显示在没有应力的区域没有形成氮化物。这些结果表明氮化物相是由蠕变引起的。
1,093°C 高温合金蠕变断裂寿命散点图。与目前 3D 打印高温应用中使用的锻造合金相比，GRX-810 具有更优异的蠕变性能。
更高的工作温度意味着更高的热效率 更长的使用寿命将显著降低维护成本 更好的抗氧化性能提供了更可靠的服役保障
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