日前，中国钢研科技集团王海舟院士创新团队与烟台大学朱礼龙教授课题组在Rare Metals上联合发表了题为“A high-throughput strategy for rapid synthesis and characterization of Ni-based superalloys”的研究文章，开发了一种基于热等静压原理的高通量微制造技术，一次合成了106种不同组分的镍基高温合金组合样品，并高效建立了成分-相结构/相组成的相关性。
【作者简介】
王海舟，男，中国工程院院士，冶金分析表征专家，中国钢研科技集团教授，北京大学化学系毕业。国际钢铁工业分析委员会终身荣誉主席, 金属材料表征北京重点实验室主任。目前主要从事材料基因工程研究以及分析测试体系的建立与完善。提出基于材料非均匀性本质的高通量统计映射表征技术和原位统计分布分析表征等新概念，实现了材料大尺寸范围内成分及状态分布的定量表征。曾获国家技术发明奖二等奖和国家科学技术进步二等奖。出版专著10余部，发表论文100余篇，授权发明ZL40余项。
朱礼龙，男，烟台大学精准材料高等研究院教授。2012年本科毕业于中南大学材料科学与工程专业，2017年在中南大学获得材料科学与工程专业博士学位，2017-2019年在美国佛罗里达大学从事博士后研究。目前主要从事新型高性能合金设计、增材制造、材料基因工程等相关研究工作。发表论文20余篇，担任J. Alloys Compd.、Metal. Mater. Trans. A等学术期刊审稿人及《稀有金属》、《Rare Metals》期刊青年编委。
【背景介绍】
本研究开发了一种新型高通量实验方法，即基于热等静压的微合成方法(HIP-MSA)，来快速、高效、经济地制备和筛选高性能镍基高温合金。利用有限元分析(FEA)技术设计并优化了包含106个独立单元的蜂巢阵列结构，并高效制备出106个具有不同Co、Nb和Ta含量的镍基高温合金样品库。集成多种高通量测试表征工具，快速获取了该高温合金体系的成分和相结构数据。结果表明，在Nb和Ta含量较高的高温合金中析出了大量针状的η相，且随着Ta和Nb含量的增加，η相的质量分数显著增加；而Co含量的增加能有效抑制高Nb和Ta含量的高温合金中η相的形成。基于丰富的实验数据，本研究建立了η相的零相分数(ZPF)线，这对于设计在高温服役条件具有优异组织稳定性的新型高温合金具有重要指导意义。
【文章亮点】
1.探索了一种集成热等静压高通量微制备与高通量表征的材料快速研发新路径。
2.采用有限元分析设计了一种具有独特结构的蜂巢阵列，突破了热等静压高通量制备的技术瓶颈。
3.基于所制备的100种以上不同组分的高温合金组合样品库，快速建立了Co、Nb、Ta三种元素与η相析出的相关性。
作为一种关键结构材料，镍基高温合金在高温和高应力环境下具有高的强度、蠕变性能和优异的耐腐蚀性等，因此被广泛用于航空发动机和工业燃气轮机。为了不断提高航空发动机和其他动力系统的燃油效率，发展具有更高承温能力和更优异高温综合性能的镍基高温合金一直是近几十年来国内外研究的重点。众所周知，镍基高温合金通常添加八种以上的合金化元素来调控并获得最佳的微观结构和高温性能。在这样一个复杂的多维成分空间中，传统试错法的材料研究方法已难以满足现代工业快速发展对新材料研发的需求，因此迫切需要发展新的高通量方法来加速高性能高温合金的设计和筛选。
高通量材料制备技术，如扩散多元节（DM）和增材制造（AM），已广泛用于研究和开发多组元结构材料，包括成分复杂的镍基高温合金。在一个扩散多元节中，可将多块不同成分的镍基高温合金紧密组合在一起，利用高温下原子的相互扩散，形成具有成分和微观组织梯度的扩散层。增材制造技术的快速发展提供了一种高通量合成梯度材料新方法。采用激光熔覆技术，通过熔合按设定比例原位混合的金属粉末，可制备出具有成分梯度的合金试样。基于上述两种方法制备出的梯度样品，采用多种高通量、高空间分辨率的测试表征技术，可实现在短时间内获取丰富的实验数据，包括合金成分、相结构/相组成、微观组织和微区性能等。然而，由于“尺度效应”的影响，从梯度微观合金中获得的微观组织和微区性能往往与大块合金存在差异。因此，为了高效获得与大块合金更为相近的显微组织和力学行为，需要开发制备宏观块体材料的高通量实验技术。
为此，本研究提出了一种新的基于热等静压（HIP）原理的多组分块体材料高通量制备方法（HIP-MSA）。为了提高制备效率，一个蜂窝阵列结构包含多达106个独立单元，可容纳106种不同组分的粉末混合体，经热等静压的高温和高压处理，每个蜂巢孔内的粉末都被烧结成块体合金，大大降低了新材料的合成周期和成本。同时，这种形式的大块合金可有效降低微观试样中普遍存在的尺寸效应。应用该方法，本研究快速合成了一系列具有宽广Co、Ta和Nb成分范围的高温合金块体材料，并构建了合金成分、相组成和微观结构之间的关联关系。
【图文解析】
图1 热等静压高通量微制备方法的实施流程：(a)3D打印制备的蜂巢阵列结构；(b) 在蜂巢阵列内部涂覆陶瓷基防扩散涂层；(c)高通量机械混粉装置示意图；(d)将不同组分的高温合金混合粉末填充至蜂巢阵列中；(e)将蜂巢阵列进行真空封装；(f)热等静压工艺曲线；(g)热等静压后的包套；(h)抛光后蜂巢阵列组合样品。
为了最终获得整体形状规则的蜂巢阵列样品，本研究采用ABAQUS软件和自主创建的子程序模拟了粉末及包套在热等静压（1100°C、150MPa）过程中的变形行为，进而完成了蜂巢阵列结构的优化设计。利用增材制造将SS316粉末制成直径50mm、壁厚2mm的蜂巢阵列包套；包套内包含106个独立的正六边形孔（其中2个设计成不规则形状，用于位置标定），孔的边长4mm、壁厚0.4mm。在蜂巢阵列内部涂覆陶瓷基防扩散涂层，阻止金属粉末与SS316包套在高温下反应。利用高通量混粉装置，将不同配比的Co、Nb、Ta纯金属粉末和高温合金粉末充分混合均匀，并依次填充至蜂巢孔内。将蜂巢结构真空封装，并在1100°C、150MPa下进行4h的热等静压处理。最后，经切割、打磨、抛光后，即完成了蜂巢阵列组合样品的制备。
图2 (a)高温合金块体材料高通量制备；(b) 相结构/相组成高通量测试表征；(c)成分-相稳定性规律指导新型高温合金的快速筛选。
基于所制备的蜂巢阵列组合样品，采用多种高通量、高空间分辨率测试表征技术对成分、相结构/相组成、微观组织进行快速分析，建立了高温合金成分-相稳定性关联规律。结果表明，Ta和Nb含量增加到一定含量时镍基高温合金中析出了有害的针状η相，且η相的质量分数随着Ta和Nb含量的增加而显著增加；而Co含量的增加能有效抑制高Nb和Ta含量的高温合金中η相的形成。本研究所建立的η相的零相分数（ZPF）线对于筛选和设计新型镍基高温合金具有重要指导意义。
【全文小结】
1.开发了块体材料的热等静压高通量微制造技术，并实现了与高通量表征技术的集成。
2.采用有限元分析设计并3D打印制备了一种独特的蜂巢阵列结构。
3.高通量合成了106种不同组分的镍基高温合金组合样品。
4.快速建立了Co、Nb、Ta三种元素与高温合金中η相析出的相关性。
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