多主元素合金

為了(le)開發(fa) NASA 合(he)金(jin)(jin) GRX-810，NASA的(de)研究人(ren)員使(shi)用(yong)計(ji)算模型來確定(ding)合(he)金(jin)(jin)的(de)成分(fen)。然后(hou)，該團隊利(li)用(yong) 3D打印將(jiang)納米(mi)級(ji)氧(yang)化(hua)物均勻(yun)地分(fen)散在(zai)整個合(he)金(jin)(jin)中(zhong)，從(cong)而提高了(le)高溫性能和耐(nai)用(yong)性能。與傳統的(de)制(zhi)造(zao)方法相比，這種制(zhi)造(zao)工藝更(geng)高效、更(geng)具(ju)成本效益且更(geng)清潔。

▲a，GRX-810 的預測相位穩定(ding)性(xing)。b, 0 K 時計算的 NiCoCr 三(san)元相圖。表格顯示(shi)了 GRX-810 的標稱組成（重量百(bai)分(fen)比(bi)）。

? Nature

高熵合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)，通常也稱為(wei)多(duo)主元素合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin) (MPEA)，是(shi)冶(ye)金(jin)(jin)(jin)(jin)界目(mu)前感興趣的(de)一類材(cai)料，多(duo)主金(jin)(jin)(jin)(jin)屬合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin) (MPEA)是(shi)指(zhi)基(ji)體合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)中含有(you)(you)(you)大量金(jin)(jin)(jin)(jin)屬元素的(de)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。多(duo)主元素合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)是(shi)一類有(you)(you)(you)利的(de)材(cai)料，因(yin)為(wei)它們具(ju)有(you)(you)(you)令人印象深刻的(de)機械和(he)抗氧化(hua)性能，尤其是(shi)在極端環境(jing)中。研(yan)究人員通過人工智能模型驅動的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)設計方法和(he)基(ji)于激光的(de)增材(cai)制造開發了一種新的(de)氧化(hua)物(wu)彌散強化(hua)型 NiCoCr 基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。 

這種氧化物彌散強化合金稱為(wei) GRX-810，使用激(ji)光粉末床(chuang)熔化3D打印(yin)技術將(jiang)納米級 Y2O3 顆粒分散(san)到整個(ge)(ge)微觀(guan)(guan)結構(gou)中，通過對其微觀(guan)(guan)結構(gou)的高分辨(bian)率表征，展(zhan)示(shi)了納米級氧化物在(zai)整個(ge)(ge) GRX-810 構(gou)建中的成功結合和分散(san)。 

通過GRX-810所3D打印的渦輪發動機燃燒器（燃料-空氣混合器）是在 NASA Glenn中心進行 3D 打印的，這是具有挑戰性的組件之一，可以從應用新的 GRX-810 合金中受益。與在 1,093°C 下廣泛用于增材制造的傳統多晶變形鎳基合金相比，GRX-810 的機械結果顯示強度提高了兩倍，蠕變性能提高了 1,000 多倍，抗氧化性提高了兩倍。這種合金的成功凸顯了與過去的“試錯”方法相比，模型驅動的合金設計如何能夠使用更少的資源提供卓越的成分，該策略可以更深入地了解工藝-微觀結構-特性關系，并量化改進的功能、特性和生命周期評估。這些結(jie)果展示了利(li)用彌散強化與增(zeng)材制造工藝相結(jie)合的(de)未來合金開發將(jiang)如何(he)加速革命性材料的(de)發現(xian)。

在過去十年中，大量科學研究發現了多主元素合金所展現的非凡特性。合金對可持續飛行的未來具有重大影響。例如，當用于噴氣發動機時，ODS合金的更高溫度和更高的耐久性能轉化為減少燃料消耗并降低運行和維護成本。這類(lei)合金(jin)也(ye)被證明是(shi)堅(jian)固的，可以抵抗氫環境(jing)脆化，表現(xian)出改進的輻照性能并在低(di)溫下(xia)提供卓(zhuo)越的強度。因(yin)此，這些合金(jin)在高溫和(he)腐蝕性環境(jing)中(zhong)的眾多航(hang)空航(hang)天和(he)能源應用中(zhong)顯示出巨大潛(qian)力(li)，可以減(jian)輕重量(liang)并提高運行性能。

? NASA

一種特別感(gan)興趣的(de)(de) Cantor 合金(jin)衍生物是中等熵合金(jin) NiCoCr。該合金(jin)系(xi)列在 Cantor 合金(jin)及其(qi)衍生物中提供了(le)室(shi)溫(wen)下最(zui)(zui)高(gao)的(de)(de)強度(du)。最(zui)(zui)近的(de)(de)研究發現，NiCoCr合金(jin)在冷(leng)軋(ya)后進行部(bu)分再結晶(jing)熱(re)處(chu)理時顯示出令人印象(xiang)深刻的(de)(de)拉伸性能（1,100MPa 室(shi)溫(wen)屈服(fu)強度(du)）。這些特性也(ye)歸因于應變(bian)誘導的(de)(de)面心立(li)方 (FCC) 到(dao)密排六方 (HCP) 相變(bian)和(he)局(ju)部(bu)層錯變(bian)化。最(zui)(zui)近還探索了(le) NiCoCr 與(yu)難熔元(yuan)素和(he)間隙(xi)元(yuan)素的(de)(de)合金(jin)化和(he)摻雜。研究人員還發現用(yong) 30ppm 的(de)(de)硼(peng)(peng)摻雜高(gao)熵合金(jin) NiCoCrFeMn 可顯著提高(gao)強度(du)和(he)延展性，這歸因于硼(peng)(peng)的(de)(de)晶(jing)界和(he)間隙(xi)強化。 

? 3D科學(xue)谷(gu)白皮書

最近的(de)(de)(de)研究還發現，向NiCoCr 多(duo)主元素合(he)金(jin)MPEA 添加(jia)碳(tan)可提高(gao)強(qiang)度(du) 。最后，研究人員還發現，在 NiCoCr 中添加(jia)三個原子百分比(bi) (at.%) 的(de)(de)(de) W 會產生更細的(de)(de)(de)晶(jing)粒(li)結構（平均(jun)晶(jing)粒(li)尺寸 1 μm），導致合(he)金(jin)的(de)(de)(de)屈服強(qiang)度(du)大幅增(zeng)加(jia)（超(chao)過(guo) 1,000 MPa ，與非合(he)金(jin) NiCoCr 的(de)(de)(de) 500MPa 相比(bi)），同時(shi)保持(chi)超(chao)過(guo) 50% 的(de)(de)(de)卓越延展性。這些結果(guo)表明，多(duo)主元素合(he)金(jin)MPEA 的(de)(de)(de)顯著改進仍然可以(yi)通(tong)過(guo)額外(wai)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)化(hua)實現。

通過(guo) L-PBF 選區激光熔(rong)融金屬(shu)3D打印(yin)工藝生產的ODS NiCoCr，其中納(na)米(mi)級 Y2O3 納(na)米(mi)粒子通過(guo)高能混合(he)過(guo)程(cheng)涂在(zai) NiCoCr 金屬(shu)粉末(mo)上，不(bu)需(xu)要任何(he)粘合(he)劑、流體(ti)或(huo)化學反應(ying)。此過(guo)程(cheng)不(bu)會變形或(huo)影響粉末(mo)球(qiu)形形態，這對(dui)于高質量AM-增材制造組件很重要。使用這種(zhong)方法生產了一種(zhong) ODS 合(he)金，與(yu)非 ODS 對(dui)應(ying)物相比，該合(he)金在(zai) 1,093°C 時的抗拉強度提高了 35%，延展性提高了三倍。

采用模(mo)型驅動的(de)合(he)(he)金(jin)設(she)計(ji)方(fang)法來優化(hua) NiCoCr 合(he)(he)金(jin)，這(zhe)一努力(li)產生了(le)一種新的(de)組合(he)(he)物，該(gai)組合(he)(he)物通過L-PBF選區激(ji)光熔融金(jin)屬3D打(da)印工(gong)藝(yi)構建，這(zhe)種新合(he)(he)金(jin)的(de)特性，通過NASA格倫研究(jiu)中(zhong)心(xin) 810°C 以(yi)上的(de)極(ji)端溫(wen)度(du) (GRX-810)，表明(ming)與其他市(shi)售高(gao)溫(wen)合(he)(he)金(jin)相比，蠕變強度(du)提高(gao)了(le)幾(ji)個數量級，抗拉強度(du)提高(gao)了(le)兩倍。研究(jiu)人員探索了(le)合(he)(he)金(jin)（NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS 添加少(shao)量 Re（1.5wt%）和 B（0.03wt%）（ODS-ReB））。這(zhe)項研究(jiu)證實(shi)了(le)模(mo)型驅動的(de)合(he)(he)金(jin)設(she)計(ji)和 AM-增(zeng)材制造(zao)工(gong)藝(yi)的(de)成熟，可以(yi)生產具有以(yi)前傳統制造(zao)技術無法實(shi)現的(de)特性的(de)下(xia)一代(dai)材料(liao)。

更快的材料開發

根據3D科學谷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)市(shi)場觀察，模型(xing)驅(qu)動以及(ji)人(ren)工(gong)(gong)智能算法驅(qu)動的(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料開(kai)發(fa)正(zheng)在滲透到3D打印領(ling)域。此前(qian)，RWTH亞琛工(gong)(gong)業大(da)學DAP數字(zi)增材制(zhi)造學院推出了快速(su)合金開(kai)發(fa) (RAD) 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)策略：使用預合金粉(fen)末(mo)材料作為(wei)起始基礎，并通(tong)過添(tian)加(jia)元素粉(fen)末(mo)有目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地進(jin)行改性，以便(bian)有效地為(wei)優化 PBF-LB加(jia)工(gong)(gong)過程創建新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合金組合。這其中還涉及(ji)到多(duo)種仿真方法，以及(ji)實(shi)驗過程中開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)各種監測手段(duan)。例(li)如在 DAP 和(he) IEHK 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用示例(li)中，研(yan)究人(ren)員通(tong)過精(jing)確調(diao)整碳含量 (C) 來修(xiu)改預合金鋼粉(fen)末(mo) (X30Mn22) 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能。碳對 PBF-LB 工(gong)(gong)藝中材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可加(jia)工(gong)(gong)性以及(ji)增材制(zhi)造部件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)拉伸(shen)(shen)強度和(he)斷(duan)裂伸(shen)(shen)長(chang)率有重大(da)影(ying)響。為(wei)了研(yan)究不同粉(fen)末(mo)成分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能，由(you)不同比例(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de) X30Mn22 粉(fen)末(mo)和(he)碳粉(fen)組成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粉(fen)末(mo)混(hun)合物來進(jin)行PBF-LB 工(gong)(gong)藝（高達(da) 1.2 wt% C）加(jia)工(gong)(gong)；所有組合物的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)對密(mi)度均大(da)于(yu) 99.8%。

在(zai)多主(zhu)元素合(he)金方面，美國馬里蘭(lan)大學(xue)李騰教授(shou)等人開發了一種以屬性為(wei)導(dao)向的MPEA設計策略，該策略將分(fen)子動力學(xue)（MD）模擬、小樣(yang)本機器學(xue)習（ML）和遺傳算法 (GA) 相結合(he)，以高效地同時優化多個性能指標。作為演示(shi)，ML模(mo)型可以通(tong)過(guo)54 次(ci)MD模(mo)擬進行有效訓練(lian)，以預測CoNiCrFeMn合金(jin)的剛度和臨界分辨剪切應力 (CRSS)，相對誤差分別為2.77%和2.17%。

根據《》一(yi)文，正(zheng)如人工智(zhi)能在藥(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)領域的(de)作用(yong)，一(yi)款新藥(yao)(yao)(yao)從(cong)開(kai)始研發(fa)到(dao)臨床試驗再到(dao)投入市(shi)場，通常需要(yao)10-15年；隨著(zhu)數字經濟時代的(de)到(dao)來，大(da)數據、人工智(zhi)能等技(ji)術的(de)應用(yong)，將大(da)大(da)縮短藥(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)研發(fa)時間(jian)，提(ti)升效(xiao)率和質量。在制藥(yao)(yao)(yao)行(xing)業，人們有興趣(qu)實施(shi)AI驅動的(de)解決方案以發(fa)現(xian)新藥(yao)(yao)(yao)并加快將其推向(xiang)市(shi)場的(de)速度。食品和藥(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)管理(li)局(ju)進(jin)一(yi)步推動了這種興趣(qu)，促進(jin)將基于AI的(de)技(ji)術用(yong)于藥(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)開(kai)發(fa)的(de)創新。總(zong)體(ti)來說，AI和機(ji)器學習旨(zhi)在改變藥(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)發(fa)現(xian)過(guo)程，從(cong)而降(jiang)低財務成本和上市(shi)時間(jian)。

全世界有(you)數以(yi)百(bai)萬計的(de)(de)商業材料，其特(te)點是數百(bai)種(zhong)不同(tong)的(de)(de)特(te)性(xing)。使用傳統技術探索我們對這些(xie)材料所了解的(de)(de)信息，提出(chu)新的(de)(de)物質，基質和系統，是一(yi)個艱苦的(de)(de)過(guo)程(cheng)，可能(neng)需要數月甚(shen)至(zhi)數年。通過(guo)了解現(xian)有(you)材料數據中的(de)(de)基礎(chu)相關性(xing)，估(gu)算缺失的(de)(de)屬性(xing)，人工(gong)智能(neng)可以(yi)快(kuai)速，高效，準(zhun)確地提出(chu)具有(you)目標(biao)屬性(xing)的(de)(de)新材料 – 從而加(jia)快(kuai)開(kai)發過(guo)程(cheng)。

同樣的事情，將發生在3D打印領域的材料開發方面，人工智能將在兩個維度上發揮作用：降低材料開發的財務成本和開發周期。人工智能(neng)將在創建更堅固(gu)、更輕、更靈(ling)活(huo)且生產成本更低的(de)材料中發揮超(chao)乎想(xiang)象(xiang)的(de)作用(yong)。

在(zai)這種特(te)定(ding)情況下，機(ji)(ji)器學(xue)習(xi)通(tong)常(chang)可以(yi)(yi)(yi)用(yong)來開發(fa)新材料。材料科(ke)學(xue)家只(zhi)需要將(jiang)所(suo)需的特(te)性(xing)(xing)輸入程序，機(ji)(ji)器學(xue)習(xi)算法便(bian)可以(yi)(yi)(yi)預測哪些(xie)化學(xue)結構(gou)單元(yuan)可以(yi)(yi)(yi)在(zai)微(wei)觀水(shui)平上結合在(zai)一起，從而創建(jian)具有所(suo)需功能和(he)特(te)性(xing)(xing)的結構(gou)。

下一期，將繼續分享GRX-810的微觀結構及性能測試情況。