GRX-810高温强化机制揭秘：增材制造诱导的三方相Y2O3纳米颗粒及其卓越性能

《Nature Communications》：The mechanisms underlying the enhanced high-temperature properties of GRX-810

为解决极端高温环境下金属合金性能不足的难题，NASA团队开展了对增材制造专用氧化物弥散强化合金GRX-810的机理研究。通过原子尺度表征和密度泛函理论计算，首次发现激光粉末床熔融过程中形成的三方相Y2O3纳米颗粒具有更细尺寸分布和更高数密度，显著提升了合金在1093-1316°C的蠕变/拉伸强度和1300°C的抗氧化性能。该研究为开发适用于航天推进系统的下一代高温材料提供了新范式。

　　

随着航空航天工业对极端温度环境下材料性能要求的不断提升，传统高温合金已逐渐接近其使用极限。当温度超过1100°C时，即使是先进的单晶镍基高温合金也会因强化相溶解而迅速软化，而常规的铬/铝形成合金则面临氧化膜失效的严峻挑战。更棘手的是，许多现有合金的成分体系并非为新兴的增材制造技术优化，导致打印件常出现缺陷和各向异性等问题。在这一背景下，开发兼具优异高温性能和良好打印特性的新材料成为领域内迫切需求。

NASA格伦研究中心领衔的研究团队在《Nature Communications》发表了关于GRX-810合金突破性性能的内在机制研究。这种专门为增材制造设计的氧化物弥散强化合金，此前已展现出在1093°C以上温度远超传统合金的蠕变和拉伸性能。本研究通过将测试温度推升至1316°C（接近合金熔点的97%），并结合原子分辨率显微技术和计算模拟，揭示了其性能优势的微观起源——一种前所未见的三方相Y₂O₃纳米颗粒。

关键技术方法包括：采用共振声学混合技术制备Y₂O₃纳米颗粒包覆的预合金粉末；使用EOS M100/M280系统进行激光粉末床熔融成型；通过扫描透射电子显微镜和同步辐射高能X射线衍射分析氧化物晶体结构；利用密度泛函理论计算不同掺杂条件下Y₂O₃多晶型的相对稳定性；开展高达1316°C的拉伸/蠕变测试和1300°C循环氧化实验。

高温拉伸结果

研究比较了不同激光 spot size（40μm和80μm）打印的细晶与粗晶GRX-810性能。在1316°C极端温度下，合金仍保持显著强度（>40 MPa），远超传统合金的失效温度阈值。特别值得注意的是，在1200°C以上，GRX-810的屈服强度甚至优于单晶CMSX-4合金，这归因于后者γ′强化相在此温度下已基本溶解。

垂直与水平蠕变强度

蠕变测试揭示了显著的各向异性：在1093°C/21 MPa条件下，粗晶材料的1%蠕变应变寿命（5000小时）比细晶材料（2800小时）长约80%。水平方向的蠕变寿命虽低于垂直方向，但GRX-810仍比非ODS合金提高两个数量级，且保持了良好蠕变延性（>5%），克服了传统ODS合金横向低塑性的痛点。

高温循环氧化

在1300°C苛刻条件下，传统合金（718、625等）均出现灾难性氧化或熔化，而GRX-810却能维持稳定的重量变化速率。微观分析显示其表面形成连续的Cr₂O₃-Y₂O₃复合氧化层，且内部氧化物颗粒未见粗化，证实了优异的微结构稳定性。

纳米氧化物表征

原子尺度STEM分析意外发现GRX-810中的Y₂O₃呈三方相结构（空间群P-3m1），而非常规的立方相。同步辐射衍射证实了这一发现，而对比样品NiCoCr-ReB ODS中仍为立方相。DFT计算表明Al、Ti等活性元素掺杂会降低立方相稳定性，但尚不能完全解释三方相的形成。更关键的是，三方相氧化物平均直径（25nm）仅为立方相（46nm）的一半，数密度高出5倍，导致粒子间距从124nm减小至70nm。

GRX-810中的氧化物弥散强化

根据阈值应力模型计算，GRX-810在1100°C的阈值应力（32 MPa）是NiCoCr-ReB ODS（15 MPa）的两倍以上。验证实验显示：无氧化物GRX-810在1093°C/21 MPa下16小时即断裂，而ODS版本同期几乎无蠕变变形。KAM分析进一步证实氧化物有效抑制了再结晶和位错运动。

取向对GRX-810蠕变性能的影响

应力指数分析表明水平方向蠕变更易受晶界滑移机制控制，而垂直方向以位错蠕变为主。尽管如此，即使水平方向性能，ODS版本仍比非ODS版本寿命延长两个数量级，证明性能优势主要源于氧化物强化而非晶粒结构。

本研究通过多尺度表征揭示了GRX-810卓越高温性能的物理本质：增材制造过程中形成的三方相Y₂O₃纳米颗粒创造了史上最细密的氧化物弥散体系。这种独特的微观结构使合金在接近熔点的温度下仍保持机械完整性，同时克服了传统ODS合金的横向低塑性难题。该工作不仅为GRX-810在航天发动机等极端环境应用提供了理论支撑，更开辟了通过调控氧化物晶体结构来定制材料性能的新路径，对下一代高温材料设计具有里程碑意义。