根據3D科學谷《革命性的突破，NASA 3D列印ODS合金 GRX-810可耐高達1000度的高溫》一文，NASA 合金 GRX-810 是一種氧化物彌散強化 (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，并且可以比現有的最先進合金長 1,000 倍以上。這些新合金可用于制造用于高溫應用的航空部件，例如飛機和火箭發動機内部的部件，因為 ODS 合金可以在達到斷裂點之前承受更惡劣的條件。
本期，結合論文《A 3D printable alloy designed for extreme environments》，3D科學谷将分享模型驅動的多主元素合金開發并洞悉數字化材料開發的發展趨勢。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0
多主元素合金
為了開發 NASA 合金 GRX-810，NASA的研究人員使用計算模型來确定合金的成分。然後，該團隊利用 3D列印将納米級氧化物均勻地分散在整個合金中，進而提高了高溫性能和耐用性能。與傳統的制造方法相比，這種制造技術更高效、更具成本效益且更清潔。
a，GRX-810 的預測相位穩定性。b, 0 K 時計算的 NiCoCr 三元相圖。表格顯示了 GRX-810 的标稱組成（重量百分比）。
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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雷射的增材制造開發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，使用雷射粉末床熔化3D列印技術将納米級 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 建構中的成功結合和分散。
通過GRX-810所3D列印的渦輪發動機燃燒器（燃料-空氣混合器）是在 NASA Glenn中心進行 3D 列印的，這是具有挑戰性的元件之一，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，該政策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技術相結合的未來合金開發将如何加速革命性材料的發現。
在過去十年中，大量科學研究發現了多主元素合金所展現的非凡特性。合金對可持續飛行的未來具有重大影響。例如，當用于噴氣發動機時，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作和維護成本。這類合金也被證明是堅固的，可以抵抗氫環境脆化，表現出改進的輻照性能并在低溫下提供卓越的強度。是以，這些合金在高溫和腐蝕性環境中的衆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作性能。
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一種特别感興趣的 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。最近的研究發現，NiCoCr合金在冷軋後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。研究人員還發現用 30ppm 的硼摻雜高熵合金 NiCoCrFeMn 可顯着提高強度和延展性，這歸因于硼的晶界和間隙強化。
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最近的研究還發現，向NiCoCr 多主元素合金MPEA 添加碳可提高強度 。最後，研究人員還發現，在 NiCoCr 中添加三個原子百分比 (at.%) 的 W 會産生更細的晶粒結構（平均晶粒尺寸 1 μm），導緻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 的顯着改進仍然可以通過額外的合金化實作。
通過 L-PBF 選區雷射熔融金屬3D列印工藝生産的ODS NiCoCr，其中納米級 Y2O3 納米粒子通過高能混合過程塗在 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态，這對于高品質AM-增材制造元件很重要。使用這種方法生産了一種 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化 NiCoCr 合金，這一努力産生了一種新的組合物，該組合物通過L-PBF選區雷射熔融金屬3D列印工藝建構，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））。這項研究證明了模型驅動的合金設計和 AM-增材制造技術的成熟，可以生産具有以前傳統制造技術無法實作的特性的下一代材料。
更快的材料開發
根據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正在滲透到3D列印領域。此前，RWTH亞琛工業大學DAP數字增材制造學院推出了快速合金開發 (RAD) 的政策：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，以便有效地為優化 PBF-LB加工過程建立新的合金組合。這其中還涉及到多種仿真方法，以及實驗過程中開發的各種監測手段。例如在 DAP 和 IEHK 的應用示例中，研究人員通過精确調整碳含量 (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，美國馬裡蘭大學李騰教授等人開發了一種以屬性為導向的MPEA設計政策，該政策将分子動力學（MD）模拟、小樣本機器學習（ML）和遺傳算法 (GA) 相結合，以高效地同時優化多個性能名額。作為示範，ML模型可以通過54 次MD模拟進行有效訓練，以預測CoNiCrFeMn合金的剛度和臨界分辨剪切應力 (CRSS)，相對誤差分别為2.77%和2.17%。
根據《人工智能+3D列印=？》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到臨床試驗再到投入市場，通常需要10-15年；随着數字經濟時代的到來，大資料、人工智能等技術的應用，将大大縮短藥物研發時間，提升效率和品質。在制藥行業，人們有興趣實施AI驅動的解決方案以發現新藥并加快将其推向市場的速度。食品和藥物管理局進一步推動了這種興趣，促進将基于AI的技術用于藥物開發的創新。總體來說，AI和機器學習旨在改變藥物發現過程，進而降低财務成本和上市時間。
全世界有數以百萬計的商業材料，其特點是數百種不同的特性。使用傳統技術探索我們對這些材料所了解的資訊，提出新的物質，基質和系統，是一個艱苦的過程，可能需要數月甚至數年。通過了解現有材料資料中的基礎相關性，估算缺失的屬性，人工智能可以快速，高效，準确地提出具有目标屬性的新材料 – 進而加快開發過程。
人工智能用于合金設計與優化
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同樣的事情，将發生在3D列印領域的材料開發方面，人工智能将在兩個次元上發揮作用：降低材料開發的财務成本和開發周期。人工智能将在建立更堅固、更輕、更靈活且生産成本更低的材料中發揮超乎想象的作用。
在這種特定情況下，機器學習通常可以用來開發新材料。材料科學家隻需要将所需的特性輸入程式，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準上結合在一起，進而建立具有所需功能和特性的結構。
下一期，将繼續分享GRX-810的微觀結構及性能測試情況。
論文連結https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0
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