透過NASA開發(fā)的氧化物彌散強(qiáng)化中熵合金，看3D打印高溫合金發(fā)展一文中分析了3D打印為中/高熵合金的制備方面提供了一條曲徑通幽的解決辦法。為高溫應(yīng)用量身定制的3D打印合金，NASA開發(fā)了氧化物彌散強(qiáng)化介質(zhì)中熵合金 (LEW-TOPS-151)。近日，NASA宣布其為高溫應(yīng)用量身定制的另外一種3D打印ODS合金-GRX-810。

3D打印ODS合金
© NASA

耐高溫材料的革命性突破

       在3D打印ODS材料開發(fā)過程中，模擬工具是必不可少的，集成計(jì)算材料工程 （ICME ）通過全面的材料表征和工業(yè)相關(guān)使用條件下的組件密集測試來補(bǔ)充。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、特性和生命周期評估。

ODS合金的應(yīng)用
© 3D科學(xué)谷白皮書

 更持久的性能

     NASA 的創(chuàng)新者最近使用3D打印工藝開發(fā)了一種新的金屬合金-GRX-810，可顯著提高航空和太空探索中使用的零部件的強(qiáng)度和耐用性，從而實(shí)現(xiàn)更好、更持久的性能。

3D打印ODS合金
© NASA

通過GRX-810所3D打印的渦輪發(fā)動機(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。

NASA 合金 GRX-810 是一種氧化物彌散強(qiáng)化 (ODS) 合金，可以承受超過 2,000 華氏度（1000多攝氏度）的溫度，更具延展性，并且可以比現(xiàn)有的最先進(jìn)合金長 1,000 倍以上。這些新合金可用于制造用于高溫應(yīng)用的航空部件，例如飛機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)部的部件，因?yàn)?ODS 合金可以在達(dá)到斷裂點(diǎn)之前承受更惡劣的條件。

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。

 影響和好處

這些合金對可持續(xù)飛行的未來具有重大影響。例如，當(dāng)用于噴氣發(fā)動機(jī)時，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。

3D打印發(fā)動機(jī)推力室
© 3D科學(xué)谷白皮書

這種ODS合金還為發(fā)動機(jī)零件設(shè)計(jì)師提供了新的靈活性，例如更輕的材料以及巨大的性能改進(jìn)。設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以考慮他們以前無法考慮的權(quán)衡，而不會犧牲性能。

 突破性性能：材料開發(fā)的革命

NASA 的新合金GRX-810在極端溫度下具有增強(qiáng)的機(jī)械性能。在 1000攝氏度時，GRX-810 與當(dāng)前最先進(jìn)的合金相比表現(xiàn)出顯著的性能改進(jìn)，包括：

+ 抗壓裂強(qiáng)度加倍

+ 在壓裂前拉伸/彎曲的靈活性是其三倍半

+ 超過 1,000 倍的高溫應(yīng)力耐久性

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，這一突破對于材料開發(fā)來說是革命性的。新型更堅(jiān)固、更輕的ODS材料在 NASA 旨在改變飛行未來的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，以前，抗拉強(qiáng)度的增加通常會降低材料在斷裂前的拉伸和彎曲能力，這是3D打印ODS新合金實(shí)現(xiàn)革命性突破的發(fā)力點(diǎn)。

 將增材制造與材料建模相結(jié)合

NASA團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用熱力學(xué)建模并利用 3D打印來開發(fā)具有這一突破性性能的新型ODS高溫合金。通過模擬軟件，NASA可以比以前更快地生產(chǎn)出性能更好的新材料，過去需要數(shù)年的反復(fù)試驗(yàn)過程，現(xiàn)在需要數(shù)周或數(shù)月就能發(fā)現(xiàn)。

使用熱力學(xué)建模（NASA 2040愿景中討論的眾多計(jì)算工具之一），該團(tuán)隊(duì)僅在 30 次模擬后就發(fā)現(xiàn)了最佳合金成分。與傳統(tǒng)的試錯過程相比，該建模工具可在更短的時間內(nèi)以更低的成本產(chǎn)生結(jié)果。該建模工具還通過向研究人員展示要加入的金屬類型以及每種元素的注入量來避免死胡同。

 ODS合金-3D打印研發(fā)的熱點(diǎn)

      歐洲地平線2020發(fā)起了topAM 項(xiàng)目支持開發(fā)3D打印ODS氧化物彌散強(qiáng)化合金，該合金由金屬基體（FeCrAl、Ni 和 NiCu）組成，其中散布著小的氧化物顆粒。這些合金將作為3D打印增材制造的粉末生產(chǎn)，并為加工工業(yè)提供競爭優(yōu)勢。

      3D打印-增材制造提供了新的材料設(shè)計(jì)策略和處理方式，這些可能性幫助克服這些材料難以加工的缺點(diǎn)。截至今天，氧化物彌散強(qiáng)化 合金(ODS)允許在極端侵蝕、高溫腐蝕和熱疲勞負(fù)載條件下運(yùn)行。出于這個原因，歐洲地平線 HORIZON 2020的topAM 項(xiàng)目的研究重點(diǎn)是開發(fā) AM-增材制造定制的 ODS 合金和相應(yīng)的制造工藝，這些工藝將產(chǎn)生具有關(guān)鍵延長使用壽命的高性能零件，進(jìn)而提升相關(guān)設(shè)備的性能與使用壽命。

      目前，根據(jù)亞琛工業(yè)大學(xué)（ACAM亞琛增材制造中心研發(fā)成員）通過微觀結(jié)構(gòu)演化模擬軟件進(jìn)行的有限元法 (FEM) 模擬顯示，在項(xiàng)目中考慮的基礎(chǔ)合金中加入氧化物后，在改善微觀結(jié)構(gòu)方面取得了可喜的成果，項(xiàng)目期待著第一個機(jī)械和腐蝕測試結(jié)果。

       歐洲地平線 HORIZON 2020的topAM 項(xiàng)目的發(fā)起的意圖是優(yōu)化用于增材制造的氧化物彌散強(qiáng)化合金的設(shè)計(jì)，例如在燃?xì)馊紵�器頭和熱交換器的制造中，因?yàn)檫@些材料在高溫下表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性和機(jī)械性能。先進(jìn)的集成計(jì)算材料工程方法將幫助合金和工藝開發(fā)，結(jié)合熱力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)和工藝模擬，計(jì)算方法有助于最大限度地縮短開發(fā)時間、節(jié)省原材料使用并延長組件壽命。

        ODS合金的開發(fā)成為2022年全球3D打印研發(fā)的熱點(diǎn)，正如ACAM亞琛增材制造中心在formnext 2021深圳展會discover3Dprinting的3D打印發(fā)現(xiàn)之旅論壇上關(guān)于《增材制造技術(shù)“深潛”-前沿發(fā)展趨勢》中所分享的，推動材料開發(fā)需要確保大幅減少增材制造新材料設(shè)計(jì)、開發(fā)和取得資格所需的時間和成本。該領(lǐng)域包括開發(fā)新的和新穎的計(jì)算方法，如基于物理及模型輔助的材料性能預(yù)測工具；開發(fā)對計(jì)算機(jī)預(yù)測進(jìn)行驗(yàn)證所需的通用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及針對材料性能表征的新思路，有助于為每一個新的增材制造材料-工藝組合開發(fā)設(shè)計(jì)循環(huán)。

(責(zé)任編輯：admin)

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