比現有超合金耐用性高千倍以上之耐熱合金

 

刊登日期:2022/6/20
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NASA格倫研究中心在約1,100℃的高溫負荷條件下,開發了一項比當前最先進超合金耐用性高達1,000倍以上的耐熱合金「GRX-810」。使用獨特的熱力學合金設計模型打造最佳基礎成分,並透過3D列印均勻分散奈米氧化物,俾使其在高溫下也能維持微細組織與高錯位密度,以極優異的耐高溫強度與延展性,實現高溫蠕變特性。可應用於航太用火箭引擎之噴嘴和圓罩等,同時期盼擁有更高的性能並降低油耗與維運成本。新開發之合金及其製造過程,已在YouTube公開。

由於飛機與火箭引擎之燃燒室用構件暴露於1,000℃以上的超高溫下,目前多使用鎳基等超合金製作。隨著運作溫度越高,火箭的燃燒效率也會跟著提升,需要使用具備高溫強度與高溫蠕變特性之材料,目前仍在不斷地研究機械合金化與單晶構件製造技術之實踐方法。

奈米氧化物均一分散所獲得的氧化物分散合金(ODS),透過微細氧化物在高溫之下可有效地以釘扎效應抑制晶粒成長與錯位運動,提升高溫下的機械性質。製造時採用於粉末機械合金法等方式,但在取得均質材質上,也存在著耗時與成本問題。

NASA活用3D列印積層造形技術,挑戰製作ODS。以奈米微細氧化物Y2O3粉末塗佈於做為合金基材的Ni-Co-Cr粉末表面,進而形成混和粉末,並透過雷射光束將其熔化結合,成功地高效率製作出Y2O3粉末均一分散的ODS構件。

NASA專注於做為高熵合金的多主元素合金(MPEA)研究,利用獨特的熱力學合金設計模型設計出中熵型Ni-Co-Cr做為合金基材。結果發現,MPEA以存在多個錯位結構,可產生多種錯位運動路徑為特點,因而同時擁有高強度與高延展性。

由上述所獲得的Y2O3分散之Ni-Co-Cr系ODS合金與最先進的超合金相比,可知在1,093℃時擁有2倍的金屬強度、3.5倍的延展性,蠕變特性更提高了1,000倍以上。以3D列印製作的ODS及熱力學打造的模組所設計之MPEA,透過提升高溫耐久性,不僅提升了燃燒效率,更將構件加以輕量化,為NASA所追求的下世代航太,實現了一項重要的突破性技術。


資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/220520_material-built.html
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