增材製造（3D列印）被廣泛認為是當代的顛覆性技術，然而對於關鍵的航天航空部件而言，有諸多痛點尚未解決。例如應用於飛機發動機渦輪的高性能高溫合金，由於增材過程中會產生過多微觀缺陷，很難付諸應用。長期以來，高溫合金的設計通常需精準把控十種元素以上的成分才能獲得必要的性能，這導致基於實驗的「暴力破解」法杯水車薪。且高溫性能的持續損傷和壽命評估須大量數據支持。高溫合金的設計與發展一直是行業難題。
近期，牛津大學的湯元博博士與Roger C Reed院士等研究者通過合金設計（Alloys-By-Design）的理念成功設計出兩款新型可增材製造的高溫合金。研究先用選區雷射熔化（SLM）進行製造，並通過大量實驗驗證其可靠的高溫性能，為新型合金的設計提供了新思路。該成果以「Alloys-by-design: Application to New superalloys for additivemanufacturing」發表於近期的金屬頂刊《Acta Materialia》。
原文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420307175
合金設計理念 （Alloys-By-Design）於2009年被首次提出並應用於單晶高溫合金。其採用龐大的成分設計空間與可靠的物理模型來評估合金的多種性能，並以此為基礎進行篩選和優化。對於AM的可加工性而言，核心考量為凝固與應變時效行為。設計之初採用的指標為Scheil凝固區間與應變時效指數，同時結合蠕變，強度，TCP相穩定程度等指標。文章後期則應用了更加深入的分析和實驗數據來驗證指標的可靠性與應用範圍。
圖一：經過ABD方法篩選過後的優化設計空間
在上述設計空間內，先選取ABD-850AM進行概念驗證，同時採用分布在設計空間不同位置的兩種常用高溫合金進行對比：IN939，CM247LC。由圖二與圖三所示，三種合金均通過氬氣霧化方式獲得十分接近的分布，且通過一致的雷射參數進行增材製造。新型合金ABD-850AM明顯具有更好的AM加工性與更低的織構。另外兩種高溫合金普遍具有大量的微裂紋。對微裂紋的進行細緻表徵後，共發現三種裂紋的形成機理，分別為：凝固開裂，液化開裂與固態開裂。如圖四至圖六所示。
圖二：三種合金粉末與增材製造後的微裂紋表徵。
圖三：三種合金XY和XZ兩個面的SEM與EBSD表徵結果。新型ABD-850AM的織構明顯低於其他兩種合金。
圖四：凝固裂紋的微觀組織。
圖五：液化裂紋的微觀組織。
圖六：固態裂紋的微觀組織。
合金設計採用凝固區間作為指標固然可以進行快速篩選，但該方法並不探討凝固行為的最後階段。因此，該項工作在後期採用Sindo Kou教授提出的凝固標準以解析不同合金的凝固開裂風險。同時，在失塑區間的高溫力學測試也用來驗證固態開裂的敏感性。
圖七：採用S Kou標準的多種合金凝固開裂風險分析
圖八：三種合金的初始態（as-fabricated state）微觀組織通過維氏硬度表徵有較大差異，然而在熱處理後，三種合金均達到了相似的硬度值
圖九：三種合金的初始態（as-fabricated state）在室溫與失塑區間的力學表徵。
對AM裂紋缺陷機理進行大量表徵與分析後，新型ABD-900AM合金被成功設計並投入實驗。該合金展示了良好的AM加工性，高溫強度與延展性。同時，在ASTM標準化蠕變測試中遠勝於IN718合金並接近CM247LC合金的蠕變性能。
圖十：新型ABD-900AM合金的微觀組織與高溫力學性能
圖十一：三種合金的ASTM標準化蠕變測試結果
綜上所述，該項工作很好的驗證了基於計算的合金設計理念可以高效遴選可靠的合金成分，為適用於增材製造的新型合金提供了新思路。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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