突破3D打印瓶頸！我國(guó)科學(xué)家研制出耐1600℃高溫的鈮合金，性能提升七倍

在航空航天、能源等領(lǐng)域，對(duì)能夠承受極端高溫的金屬材料需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)制造技術(shù)難以加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的耐高溫部件，而3D打印技術(shù)又因高熱應(yīng)力問(wèn)題，一直難以應(yīng)用于熱應(yīng)力敏感金屬的制造。

近日，我國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域取得重大突破！由北京科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種可用于激光粉末床熔融技術(shù)（PBF-LB/M）的Nb-3W-2Mo-1Zr-0.1O（簡(jiǎn)稱Nb321）鈮基合金，該合金在無(wú)需后熱處理的條件下，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷成型，并在1600℃高溫下表現(xiàn)出*的抗軟化性能。

技術(shù)瓶頸：3D打印難以攻克的熱應(yīng)力難題

增材制造（3D打�。┘夹g(shù)雖然能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬部件，但其循環(huán)快速加熱和冷卻的過(guò)程會(huì)引入顯著的熱應(yīng)力。對(duì)于鎢、鉬等熱應(yīng)力敏感金屬及其合金，這種高熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受限，引發(fā)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，嚴(yán)重制約了它們?cè)诟邷丨h(huán)境下的應(yīng)用。

傳統(tǒng)解決方法如合金化或后處理熱雖然能消除缺陷，但往往會(huì)犧牲材料的高溫性能。如何在保持材料高溫性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的可打印性，一直是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：納米氧化鋯沉淀與亞晶粒的協(xié)同作用

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精心設(shè)計(jì)合金成分，創(chuàng)造了一種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，*解決了這一難題。該Nb321合金具有兩大關(guān)鍵特征：

1.納米級(jí)可變形氧化鋯沉淀

在3D打印過(guò)程中，鋯和氧原子聚集形成納米尺度的氧化鋯沉淀物，這些沉淀物與鈮基體結(jié)合良好，能有效緩解熱應(yīng)力。

2.高密度亞晶粒結(jié)構(gòu)

合金內(nèi)部形成了大量亞晶粒，這些亞晶界能夠儲(chǔ)存位錯(cuò)，促進(jìn)穩(wěn)定的塑性流動(dòng)，顯著提高了材料的應(yīng)變硬化能力。

*性能：室溫高溫雙優(yōu)表現(xiàn)

室溫性能*

該3D打印的Nb321合金表現(xiàn)出優(yōu)異的室溫力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度達(dá)620.5±6.7MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)714.2±4.9MPa，總延伸率為24.6±0.5%。其屈服強(qiáng)度比商用鍛制Nb521合金高出約65%，是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定*低值的兩倍。

高溫性能突破

更令人矚目的是其在極端高溫環(huán)境下的表現(xiàn)：在1600℃下，合金仍保持84.5±1.8MPa的屈服強(qiáng)度和92.2±5.6MPa的抗拉強(qiáng)度，總延伸率達(dá)32.6±2.7%。

與傳統(tǒng)鍛制合金相比，3D打印Nb321合金的加工硬化持續(xù)時(shí)間提高了七倍（84秒對(duì)12秒），表現(xiàn)出*的高溫抗軟化性能。

機(jī)制解析：高溫性能背后的科學(xué)原理

研究發(fā)現(xiàn)，該合金優(yōu)異的高溫性能源于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)特征：

晶界釘扎效應(yīng)：高溫下，氧化鋯沉淀物能有效釘扎晶界，阻止晶界遷移，抑制再結(jié)晶過(guò)程。

位錯(cuò)鎖定機(jī)制：晶內(nèi)氧化鋯沉淀物阻礙位錯(cuò)滑移，而良好的沉淀物-基體界面可作為空位匯，阻礙位錯(cuò)攀移。

相變?cè)鲰g：氧化鋯沉淀物在應(yīng)力作用下發(fā)生從四方相到單斜相的轉(zhuǎn)變，伴隨堆垛層錯(cuò)和孿晶形成，有效容納應(yīng)變，延遲斷裂。

熱穩(wěn)定性：長(zhǎng)期高溫應(yīng)用的保障

該合金在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出*的熱穩(wěn)定性，這是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵保障。

應(yīng)用前景與重要意義

成本優(yōu)勢(shì)顯著

使用低成本元素粉末原料，避免了昂貴的后處理熱處理工序，相比傳統(tǒng)工藝降低制造成本約30-40%。

材料性能*

在保持優(yōu)異高溫性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了良好的室溫塑性和強(qiáng)度，綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有商用高溫合金。

技術(shù)突破意義

該研究*實(shí)現(xiàn)了熱應(yīng)力敏感金屬的缺陷自由3D打印，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)高溫部件的制造提供了全新解決方案。

產(chǎn)業(yè)化前景廣闊

在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件、核反應(yīng)堆材料、高溫化工設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，目前已與多家企業(yè)開(kāi)展合作研發(fā)。

結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)突破性研究不僅開(kāi)發(fā)出了一種具有*高溫性能的可打印鈮基合金，更重要的是為整個(gè)高溫材料領(lǐng)域提供了新的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)巧妙的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功解決了3D打印技術(shù)與熱應(yīng)力敏感材料之間的兼容性問(wèn)題，為未來(lái)極端環(huán)境應(yīng)用材料的開(kāi)發(fā)指明了方向。

該研究成果已發(fā)表于材料科學(xué)*期刊《ActaMaterialia》，研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自北京科技大學(xué)、悉尼大學(xué)、昆士蘭大學(xué)等多所知名高校，*作者為陳佳男、劉暢等博士，通訊作者為陳剛、廖曉舟、鄒進(jìn)、曲選輝等教授。