日前，中國鋼研科技集團王海舟院士創新團隊與煙臺大學朱禮龍教授課題組在Rare Metals上聯合發表了題為“A high-throughput strategy for rapid synthesis and characterization of Ni-based superalloys”的研究文章，開發了一種基于熱等靜壓原理的高通量微制造技術，一次合成了106種不同組分的鎳基高溫合金組合樣品，并高效建立了成分-相結構/相組成的相關性。
【作者簡介】
王海舟，男，中國工程院院士，冶金分析表征專家，中國鋼研科技集團教授，北京大學化學系畢業。國際鋼鐵工業分析委員會終身榮譽主席, 金屬材料表征北京重點實驗室主任。目前主要從事材料基因工程研究以及分析測試體系的建立與完善。提出基于材料非均勻性本質的高通量統計映射表征技術和原位統計分布分析表征等新概念，實現了材料大尺寸范圍內成分及狀態分布的定量表征。曾獲國家技術發明獎二等獎和國家科學技術進步二等獎。出版專著10余部，發表論文100余篇，授權發明ZL40余項。
朱禮龍，男，煙臺大學精準材料高等研究院教授。2012年本科畢業于中南大學材料科學與工程專業，2017年在中南大學獲得材料科學與工程專業博士學位，2017-2019年在美國佛羅里達大學從事博士后研究。目前主要從事新型高性能合金設計、增材制造、材料基因工程等相關研究工作。發表論文20余篇，擔任J. Alloys Compd.、Metal. Mater. Trans. A等學術期刊審稿人及《稀有金屬》、《Rare Metals》期刊青年編委。
【背景介紹】
本研究開發了一種新型高通量實驗方法，即基于熱等靜壓的微合成方法(HIP-MSA)，來快速、高效、經濟地制備和篩選高性能鎳基高溫合金。利用有限元分析(FEA)技術設計并優化了包含106個獨立單元的蜂巢陣列結構，并高效制備出106個具有不同Co、Nb和Ta含量的鎳基高溫合金樣品庫。集成多種高通量測試表征工具，快速獲取了該高溫合金體系的成分和相結構數據。結果表明，在Nb和Ta含量較高的高溫合金中析出了大量針狀的η相，且隨著Ta和Nb含量的增加，η相的質量分數顯著增加；而Co含量的增加能有效抑制高Nb和Ta含量的高溫合金中η相的形成。基于豐富的實驗數據，本研究建立了η相的零相分數(ZPF)線，這對于設計在高溫服役條件具有優異組織穩定性的新型高溫合金具有重要指導意義。
【文章亮點】
1.探索了一種集成熱等靜壓高通量微制備與高通量表征的材料快速研發新路徑。
2.采用有限元分析設計了一種具有獨特結構的蜂巢陣列，突破了熱等靜壓高通量制備的技術瓶頸。
3.基于所制備的100種以上不同組分的高溫合金組合樣品庫，快速建立了Co、Nb、Ta三種元素與η相析出的相關性。
作為一種關鍵結構材料，鎳基高溫合金在高溫和高應力環境下具有高的強度、蠕變性能和優異的耐腐蝕性等，因此被廣泛用于航空發動機和工業燃氣輪機。為了不斷提高航空發動機和其他動力系統的燃油效率，發展具有更高承溫能力和更優異高溫綜合性能的鎳基高溫合金一直是近幾十年來國內外研究的重點。眾所周知，鎳基高溫合金通常添加八種以上的合金化元素來調控并獲得最佳的微觀結構和高溫性能。在這樣一個復雜的多維成分空間中，傳統試錯法的材料研究方法已難以滿足現代工業快速發展對新材料研發的需求，因此迫切需要發展新的高通量方法來加速高性能高溫合金的設計和篩選。
高通量材料制備技術，如擴散多元節（DM）和增材制造（AM），已廣泛用于研究和開發多組元結構材料，包括成分復雜的鎳基高溫合金。在一個擴散多元節中，可將多塊不同成分的鎳基高溫合金緊密組合在一起，利用高溫下原子的相互擴散，形成具有成分和微觀組織梯度的擴散層。增材制造技術的快速發展提供了一種高通量合成梯度材料新方法。采用激光熔覆技術，通過熔合按設定比例原位混合的金屬粉末，可制備出具有成分梯度的合金試樣。基于上述兩種方法制備出的梯度樣品，采用多種高通量、高空間分辨率的測試表征技術，可實現在短時間內獲取豐富的實驗數據，包括合金成分、相結構/相組成、微觀組織和微區性能等。然而，由于“尺度效應”的影響，從梯度微觀合金中獲得的微觀組織和微區性能往往與大塊合金存在差異。因此，為了高效獲得與大塊合金更為相近的顯微組織和力學行為，需要開發制備宏觀塊體材料的高通量實驗技術。
為此，本研究提出了一種新的基于熱等靜壓（HIP）原理的多組分塊體材料高通量制備方法（HIP-MSA）。為了提高制備效率，一個蜂窩陣列結構包含多達106個獨立單元，可容納106種不同組分的粉末混合體，經熱等靜壓的高溫和高壓處理，每個蜂巢孔內的粉末都被燒結成塊體合金，大大降低了新材料的合成周期和成本。同時，這種形式的大塊合金可有效降低微觀試樣中普遍存在的尺寸效應。應用該方法，本研究快速合成了一系列具有寬廣Co、Ta和Nb成分范圍的高溫合金塊體材料，并構建了合金成分、相組成和微觀結構之間的關聯關系。
【圖文解析】
圖1 熱等靜壓高通量微制備方法的實施流程：(a)3D打印制備的蜂巢陣列結構；(b) 在蜂巢陣列內部涂覆陶瓷基防擴散涂層；(c)高通量機械混粉裝置示意圖；(d)將不同組分的高溫合金混合粉末填充至蜂巢陣列中；(e)將蜂巢陣列進行真空封裝；(f)熱等靜壓工藝曲線；(g)熱等靜壓后的包套；(h)拋光后蜂巢陣列組合樣品。
為了最終獲得整體形狀規則的蜂巢陣列樣品，本研究采用ABAQUS軟件和自主創建的子程序模擬了粉末及包套在熱等靜壓（1100°C、150MPa）過程中的變形行為，進而完成了蜂巢陣列結構的優化設計。利用增材制造將SS316粉末制成直徑50mm、壁厚2mm的蜂巢陣列包套；包套內包含106個獨立的正六邊形孔（其中2個設計成不規則形狀，用于位置標定），孔的邊長4mm、壁厚0.4mm。在蜂巢陣列內部涂覆陶瓷基防擴散涂層，阻止金屬粉末與SS316包套在高溫下反應。利用高通量混粉裝置，將不同配比的Co、Nb、Ta純金屬粉末和高溫合金粉末充分混合均勻，并依次填充至蜂巢孔內。將蜂巢結構真空封裝，并在1100°C、150MPa下進行4h的熱等靜壓處理。最后，經切割、打磨、拋光后，即完成了蜂巢陣列組合樣品的制備。
圖2 (a)高溫合金塊體材料高通量制備；(b) 相結構/相組成高通量測試表征；(c)成分-相穩定性規律指導新型高溫合金的快速篩選。
基于所制備的蜂巢陣列組合樣品，采用多種高通量、高空間分辨率測試表征技術對成分、相結構/相組成、微觀組織進行快速分析，建立了高溫合金成分-相穩定性關聯規律。結果表明，Ta和Nb含量增加到一定含量時鎳基高溫合金中析出了有害的針狀η相，且η相的質量分數隨著Ta和Nb含量的增加而顯著增加；而Co含量的增加能有效抑制高Nb和Ta含量的高溫合金中η相的形成。本研究所建立的η相的零相分數（ZPF）線對于篩選和設計新型鎳基高溫合金具有重要指導意義。
【全文小結】
1.開發了塊體材料的熱等靜壓高通量微制造技術，并實現了與高通量表征技術的集成。
2.采用有限元分析設計并3D打印制備了一種獨特的蜂巢陣列結構。
3.高通量合成了106種不同組分的鎳基高溫合金組合樣品。
4.快速建立了Co、Nb、Ta三種元素與高溫合金中η相析出的相關性。