3D打印的GRX-810超级合金与传统镍基高温合金性能对比分析-优快云博客

日前，NASA开发的新一代超级合金GRX-810在工程化应用方面取得了新进展，由该材料3D打印的液体火箭发动机已成功进行热火测试。

GRX-810是一种氧化物弥散强化 (ODS) 合金，是NASA专为极端温度而开发。其主要成分为Ni-Co-Cr基合金，使用集成计算材料工程技术创建，并使用一种新的高能混合技术成功将重量百分比为1%的Y2O3包覆在NiCoCr粉末颗粒上，粉末粒径为10-45μm，借助增材制造工艺将纳米级氧化钇颗粒融入其整个微观结构中，从而带来显著的性能增强。总的来说，这是是具有卓越温度和抗氧化特性的新型材料。

与传统镍基高温合金相比，GRX-810合金的拉伸强度提高了两倍，蠕变性能提高了1000倍，抗氧化性提高了两倍。NASA成功展示了通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 和激光粉末定向能量沉积 (LP-DED) 工艺使用GRX-810合金开发和制造组件。

根据3D打印技术参考查询到的资料，NASA在建模、评估冶金性能、开发热处理工艺、表征微观结构和确定机械性能方面做出了广泛努力。GRX-810合金专为航空航天应用而设计，包括液体火箭发动机喷射器、预燃器、涡轮机和热段部件，能够承受高达1100°C的温度。该合金开发的目的是弥合传统镍基高温合金和耐火合金之间的温度差距。

NASA对两个批次的GRX-810合金进行了性能对比，并与其他航空航天合金进行了全面比较，讨论了其微观结构、机械性能、加工进步、组件开发和热火测试结果。

研究发现，两个批次的GRX-810存在一些显著差异。在较低的温度下，批次1的GRX-810表现出较高的拉伸和屈服强度。Hall Petch可能解释了这一点，因为批次1 GRX-810确实表现出了更精细的晶粒尺寸。这种抗拉强度的差异随着温度的升高而减小，两种版本的GRX-810在1093°C时表现出相似的强度。然而，与原始批次1 GRX-810相比，批次2 EOS M280 GRX-810样品的伸长率在1093°C时明显更高。这也可能是两种材料之间晶粒差异的结果。与批次1相比，这种伸长率差异也可以代表批次2中氧化物分散度的改善。在NiCoCr基合金中，当微观结构中包含纳米级氧化物时，拉伸伸长率在高温下提高，而非ODS GRX-810在1093°C下的延展性比其他ODS版本低得多。在这些升高的温度下，晶界氧化开始在机械性能中发挥重要作用，氧化物被认为有助于改善氧化并稳定晶界，从而提高延展性。氧化物影响氧化行为本身，还是简单的稳定微观结构尚不清楚。更好的氧化物分布也可能在GRX-810的蠕变特性中发挥作用。

此外还比较了625合金、718合金、230合金、AM NiCoCr、AM NiCo Cr ODS、批次1 HIPed GRX-810和批次2 GRX-810的蠕变强度。可以明显看出，与测试的其他合金相比，两个GRX-810样品的蠕变强度显著增加。截至目前，由EOS M280打印的GRX-810蠕变试验仍在进行中，但目前的性能与之前的GRX-810试验相同或更好。这种改进的蠕变能力和高温延展性意味着结构中的氧化物分布是足够的，并且可能优于此前的样品。将GRX-810的热导率与许多其他镍基高温合金进行了比较，导电性与其他镍基高温合金相当。HIPed GRX-810提供了介于750-1000°C之间的高导热系数，目前尚不清楚这种电导率增加的来源，很可能是微观结构。

NASA优先考虑GRX-810合金的早期材料开发，以建立符合预期机械和热物理性能的最佳工艺参数。同时，在GRX-810推进的初始阶段，重点放在了组件开发上，以验证可以成功构建预期的复杂几何形状。GRX-810被提议用于多种应用，特别是热交换器、涡轮机械和在高热通量环境中运行的部件。在液体火箭发动机的背景下，具体应用包括设计用于减轻涂层面板、再生冷却喷嘴和涡轮泵中的喷射器。选择示例如图7所示。NASA使用GRX-810借助激光粉末床熔融工艺构建了涡轮叶盘、具有内部特征的导流器、喷射器、再生冷却喷嘴、涡轮叶盘以及带整体端口的涡轮叶片。

GRX-810合金表现出与典型的镍基合金（如625合金和718合金）相当的构建速度。构造限制和几何形状表明与其他镍基合金相似。此外，该粉末在构建过程中多次重复使用，表现出一致的性能，保持了均匀的构建几何形状。正在进行的工艺开发工作仍在继续，以提高GRX-810合金在各种L-PBF平台上的成熟度，包括后处理。使用热等静压的单次热处理最大限度减少了晶粒生长，增强了材料的结构完整性。此外还需要继续优化热等静压以及抛光、表面增强等技术，并探索其他工艺，如激光粉末定向能量沉积（LP-DED）。

GRX-810喷注器制造工艺流程

3D打印的喷注器和喷嘴已经通过了完整的制造工艺流程并进行热火测试

3D打印的注射器和喷嘴已经通过了完整的制造工艺流程并进行热火测试。这两个零件都是为L-PBF设计的，具有整体歧管和通道，以最大限度减少二次制造过程（即焊接、钎焊）。测试成功证明了GRX-810在航空航天应用中的稳健性和准备性。GRX-810技术准备水平（TRL）通过测试取得了进步，在各种压力和推进剂组合中积累了3117秒的热射时间。与普通高温合金相比，GRX-810注射器的坚固性有了显著提高，显示了其在商业航空航天应用中的潜力。未来的工作涉及GRX-810合金原料的额外缩放和分析，以及L-PBF和激光粉末定向能量沉积（LP-DED）的构建，以实现大规模生产和更广泛的应用。