編輯推薦：本研究表明抗高溫氧化性在很大程度上取決于晶界密度和晶體學(xué)織構(gòu)。使用激光粉末床熔融增材制造技術(shù)則可以很好地控制金屬材料的晶體織構(gòu)和晶界條件進(jìn)而獲得較好的抗氧化性。

隨著在高溫下使用的材料需求增加，研究人員致力于尋找可在高于鎳基合金極限溫度下使用的新材料。鉻（Cr）及其合金由于其熔點(diǎn)高，良好的抗氧化性，密度低（比大多數(shù)鎳基高溫合金低20％）和高導(dǎo)熱率（比大多數(shù)高溫合金高2-4倍）而引起了廣泛關(guān)注。激光粉末床熔融（LPBF）是一種廣泛使用的金屬增材制造工藝，已被應(yīng)用于制造鎳基合金、鈷基合金、鈦合金等，但還沒有關(guān)于LPBF加工純Cr的報(bào)道。

日本大阪大學(xué)的研究人員首次應(yīng)用LPBF加工技術(shù)制造了純Cr，并控制純Cr的晶體織構(gòu)研究了其高溫氧化行為。相關(guān)論文以題為“Crystallographic orientation control of pure chromium via laser powder bed fusion and improved high temperature oxidation resistance”發(fā)表在增材制造領(lǐng)域權(quán)威期刊Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101624

本研究制造的純Cr樣品的相對(duì)密度超過90％，相對(duì)密度隨著能量密度的增加而增加，最高相對(duì)密度為95.47％。所制造的試樣由具有體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)的純鉻組成，沒有任何其他相。（200）織構(gòu)的相對(duì)強(qiáng)度隨能量密度的增加而增強(qiáng)。在具有較高能量密度的制造條件下，形成了沿構(gòu)造方向具有（100）取向的強(qiáng)晶體學(xué)織構(gòu)（簡稱LPBF-（100）），而當(dāng)以較低能量密度進(jìn)行制造時(shí)形成了隨機(jī)取向的晶體學(xué)織構(gòu)（簡稱LPBF-R），說明通過控制激光能量可以控制Cr試樣的晶體織構(gòu)。

圖1 加工后的LPBF試樣的yz截面的SEM顯微照片（a）E3（LPBF-R）和（b）E6（LPBF-（100）），以及（c）純Cr粉和加工后試樣的XRD結(jié)果

圖2 （a-d）不同激光能量密度引起織構(gòu)變化的IPF圖；（a'-d‘）對(duì)應(yīng)的晶界圖；（a''-d'’）通過LPBF制造純Cr的yz平面{100}極圖。

圖3 （a,a‘）LPBF-（100）氧化后的橫截面的SEM圖和EPMA圖；（b,b’）LPBF-R氧化后的橫截面的SEM圖和EPMA圖

研究發(fā)現(xiàn)與隨機(jī)取向的Cr樣品相比，（100）取向的Cr樣品氧化層厚度更小。這歸因于兩個(gè)因素：（1）在（100）晶體取向中抑制了晶粒內(nèi)抗氧化性的取向依賴性；（2）由于抗氧化特殊晶界（CSL晶界）而導(dǎo)致的晶間氧化延遲。氧化層厚度曲線符合拋物線速率定律，與隨機(jī)取向的Cr相比，（100）取向的Cr具有較低的拋物線速率常數(shù)。這表明（100）取向的Cr抗氧化性更強(qiáng)。

圖4 （a）氧化前普通純Cr表面的立體顯微圖；（b）氧化層厚度

圖5 （a）LPBF-（100）和LPBF-R的質(zhì)量與氧化時(shí)間平方根的關(guān)系圖；（b）氧化層厚度與氧化時(shí)間平方根的關(guān)系圖

總的來說，本研究表明，抗高溫氧化性在很大程度上歸因于晶界密度和晶體學(xué)織構(gòu)。使用LPBF制造有利于控制金屬材料的晶體織構(gòu)和晶界條件進(jìn)而獲得較好的抗氧化性。因此，該方法有望用于工業(yè)用高溫抗氧化部件的生產(chǎn)。但是，開發(fā)適合高級(jí)應(yīng)用的致密零件，仍需要進(jìn)一步的研究。