極限環境向けに設計された 3D 印刷可能な合金

Nature volume 617、pages 513–518 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

多主元素合金は、特に極限環境において優れた機械的特性と耐酸化性を備えているため、実用的な材料です 1,2。 ここでは、モデル駆動の合金設計アプローチとレーザーベースの積層造形を使用して、新しい酸化物分散強化 NiCoCr ベース合金を開発します。 GRX-810 と呼ばれるこの酸化物分散強化合金は、機械的合金やその場合金化などの資源を大量に消費する処理ステップを使用せずに、レーザー粉体層融合を使用してナノスケールの Y2O3 粒子を微細構造全体に分散させます。 微細構造の高解像度特性評価を通じて、GRX-810 ビルドボリューム全体にナノスケール酸化物の組み込みと分散が成功していることを示します。 GRX-810 の機械的結果は、1,093 °C での積層造形で広く使用されている従来の多結晶鍛錬 Ni ベース合金と比較して、強度が 2 倍向上し、クリープ性能が 1,000 倍以上向上し、耐酸化性が 2 倍向上していることを示しています5,6。 この合金の成功は、モデル主導の合金設計が、過去の「試行錯誤」の方法と比較して、はるかに少ないリソースを使用して優れた組成を提供できることを浮き彫りにしています。 これらの結果は、積層造形プロセスと組み合わせた分散強化を活用した将来の合金開発が、革新的な材料の発見をどのように加速できるかを示しています。

一般に多主元素合金 (MPEA) とも呼ばれる高エントロピー合金は、冶金界で現在注目されている材料の一種です 1,2,7,8,9。 過去 10 年間、数多くの科学的調査により、これらの合金が示す顕著な特性が明らかになりました 7、10、11、12、13。 最も詳しく調査されている MPEA ファミリーの 1 つは、カントール合金 CoCrFeMnNi とその誘導体です 2、8、14。 このグループの合金は優れたひずみ硬化を示し、高い引張強度と延性をもたらしました7、15、16、17、18。 強度と延性のトレードオフの克服は、局所的に変化する積層欠陥エネルギー 19 や磁気駆動の相変態 20 など、原子スケールの変形メカニズム 16 の結果です。 このクラスの合金は堅牢であることも証明されており、水素環境での脆化に耐え 21、改善された照射特性 22 を示し、極低温で優れた強度を提供します 23。 その結果、これらの合金は、高温および腐食環境における数多くの航空宇宙およびエネルギー用途に大きな可能性を示し、軽量化とより高性能な動作が可能になります。

特に興味深いカントール合金の派生品の 1 つは、中エントロピー合金 NiCoCr です。 この合金ファミリーは、カントール合金およびその派生品の中で室温で最高の強度を提供します2,24。 最近、この合金は冷間圧延後に部分再結晶熱処理を受けると、優れた引張特性 (室温降伏強度 1,100 MPa) を提供することが示されました 17。 これらの特性は、ひずみによる面心立方晶 (FCC) から六方最密充填 (HCP) への相変態や局所的な積層欠陥の変化にも起因すると考えられます。 最近では、NiCoCr に高融点元素や格子間物質を合金化およびドーピングすることも研究されています。 ソルら。 は、高エントロピー合金である NiCoCrFeMn に 30 ppm のホウ素をドープすると、ホウ素による粒界と格子間強化の両方に起因して、強度と延性が大幅に向上することを発見しました 25。 最近の研究では、MPEA に炭素を添加すると強度が向上することも判明しました 26、27、28。 最後に、Wu ら 29 は、NiCoCr に W を 3 原子百分率 (at.%) 添加すると、より微細な粒子構造 (平均粒子サイズ 1 μm) が生成され、合金の降伏強度 (1,000 MPa 以上) が大幅に増加することを発見しました。 、非合金NiCoCrの500 MPaと比較）、50％を超える優れた延性を維持しながら（参考文献29）。 これらの結果は、追加の合金化によって FCC MPEA システムの大幅な改善が実現できることを示唆しています。