Una lega stampabile in 3D progettata per ambienti estremi

Natura volume 617, pagine 513–518 (2023) Citare questo articolo

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Le leghe a più elementi principali sono una classe di materiali abilitanti grazie alle loro impressionanti proprietà meccaniche e di resistenza all'ossidazione, soprattutto in ambienti estremi1,2. Qui sviluppiamo una nuova lega a base di NiCoCr rinforzata con dispersione di ossido utilizzando un approccio di progettazione della lega basato su modello e produzione additiva basata su laser. Questa lega rinforzata con dispersione di ossido, denominata GRX-810, utilizza la fusione laser del letto di polvere per disperdere le particelle Y2O3 su scala nanometrica in tutta la microstruttura senza l'uso di fasi di lavorazione ad alta intensità di risorse come la lega meccanica o in situ3,4. Mostriamo il successo dell'incorporazione e della dispersione degli ossidi su scala nanometrica in tutto il volume di costruzione del GRX-810 tramite la caratterizzazione ad alta risoluzione della sua microstruttura. I risultati meccanici del GRX-810 mostrano un duplice miglioramento della resistenza, prestazioni di creep oltre 1.000 volte migliori e un duplice miglioramento della resistenza all'ossidazione rispetto alle tradizionali leghe policristalline a base di Ni lavorate ampiamente utilizzate nella produzione additiva a 1.093 °C5,6. Il successo di questa lega evidenzia come la progettazione di leghe basata su modelli possa fornire composizioni superiori utilizzando molte meno risorse rispetto ai metodi di "prova ed errore" del passato. Questi risultati mostrano come lo sviluppo futuro di leghe che sfrutti il rafforzamento della dispersione combinato con il processo di produzione additiva possa accelerare la scoperta di materiali rivoluzionari.

Le leghe ad elevata entropia, comunemente denominate anche leghe a elementi multiprincipali (MPEA), sono una classe di materiali che attualmente suscitano interesse nella comunità metallurgica1,2,7,8,9. Negli ultimi dieci anni numerose indagini scientifiche hanno scoperto proprietà notevoli esibite da queste leghe7,10,11,12,13. Una delle famiglie MPEA più studiate è la lega Cantor CoCrFeMnNi e i suoi derivati2,8,14. Questo gruppo di leghe ha mostrato un eccellente incrudimento, con conseguente elevata resistenza alla trazione e duttilità7,15,16,17,18. Il superamento del compromesso forza-duttilità è il risultato di meccanismi di deformazione su scala atomica16, come energie di faglie di impilamento variabili localmente19 e trasformazioni di fase guidate magneticamente20. Questa classe di leghe ha dimostrato inoltre di essere robusta, di resistere all'infragilimento dovuto all'ambiente da idrogeno21, di mostrare proprietà di irradiazione migliorate22 e di fornire una resistenza superiore a temperature criogeniche23. Di conseguenza, queste leghe mostrano un grande potenziale per numerose applicazioni aerospaziali ed energetiche in ambienti corrosivi e a temperature elevate, consentendo una riduzione del peso e prestazioni di funzionamento più elevate.

Un derivato della lega Cantor di particolare interesse è la lega a media entropia NiCoCr. Questa famiglia di leghe fornisce la resistenza più elevata a temperatura ambiente tra la lega Cantor e i suoi derivati2,24. Recentemente, è stato dimostrato che questa lega fornisce proprietà di trazione impressionanti (resistenza allo snervamento a temperatura ambiente di 1.100 MPa) quando sottoposta a trattamento termico di ricristallizzazione parziale dopo la laminazione a freddo17. Queste proprietà sono anche attribuite alle trasformazioni di fase da cubiche a facce centrate (FCC) a quelle esagonali compatte (HCP) indotte da deformazioni e alle variazioni locali dei difetti di impilamento. Recentemente sono stati esplorati anche l'alligazione e il drogaggio di NiCoCr con elementi refrattari e interstiziali. Seol et al. hanno scoperto che il drogaggio della lega ad alta entropia, NiCoCrFeMn, con 30 ppm di boro ha portato a miglioramenti significativi nella resistenza e nella duttilità attribuiti sia al rinforzo dei bordi dei grani che a quello interstiziale dovuto al boro25. Studi recenti hanno inoltre scoperto che l'aggiunta di carbonio agli MPEA ha comportato un miglioramento della resistenza26,27,28. Infine, Wu et al.29 hanno scoperto che tre aggiunte di percentuale atomica (at.%) di W in NiCoCr hanno creato una struttura a grana più fine (dimensione media della grana 1 μm), con conseguente grande aumento della resistenza allo snervamento della lega (oltre 1.000 MPa , rispetto ai 500 MPa del NiCoCr non legato) pur mantenendo una duttilità eccezionale superiore al 50% (rif. 29). Questi risultati suggeriscono che miglioramenti significativi nei sistemi FCC MPEA possono ancora essere realizzati attraverso ulteriori leghe.

dislocations mostly dissociated into observable intrinsic stacking faults bound by 1/6<112> Shockley partials. Dissociated dislocations mutually interact and form numerous extended stacking-fault node configurations. The density of these dissociated dislocations and grain structure of GRX-810 is better shown in the lower resolution microstructural characterization shown in Extended data Fig. 4. In addition, the presence of numerous stacking-fault tetrahedra and prevalent dislocation interaction with oxides is observed. Stacking-fault tetrahedra have been found to further inhibit dislocation motion and may further improve the creep and tensile properties of this alloy40. Figure 2c,d shows solute segregation of Cr, W and Re at the grain boundary, with Ni and Co depleted. The EDS map in Fig. 2c also shows the presence of Nb/Ti-rich metal carbides predicted by the thermodynamic models to be stable up to alloy melting temperature. This analysis was further validated through SEM as shown in Extended Data Fig. 5. High-resolution high-angle annular dark-field (HAADF)–STEM analysis of the GRX-810 lattice was performed to explore whether local chemical ordering exists in this alloy, as has been found in other high-entropy alloys41,42. The analysis in Fig. 2e,f shows that, despite possessing L12-forming elements such as Al, Ti and Nb, the lattice maintained a perfect solid solution with no short-range elemental ordering present43./p>