增材制造顶刊：(100)取向可以提高抗高温氧化性！

编辑推荐：本研究表明抗高温氧化性在很大程度上取决于晶界密度和晶体学织构。使用激光粉末床熔融增材制造技术则可以很好地控制金属材料的晶体织构和晶界条件进而获得较好的抗氧化性。

随着在高温下使用的材料需求增加，研究人员致力于寻找可在高于镍基合金极限温度下使用的新材料。铬（Cr）及其合金由于其熔点高，良好的抗氧化性，密度低（比大多数镍基高温合金低20％）和高导热率（比大多数高温合金高2-4倍）而引起了广泛关注。激光粉末床熔融（LPBF）是一种广泛使用的金属增材制造工艺，已被应用于制造镍基合金、钴基合金、钛合金等，但还没有关于LPBF加工纯Cr的报道。

日本大阪大学的研究人员首次应用LPBF加工技术制造了纯Cr，并控制纯Cr的晶体织构研究了其高温氧化行为。相关论文以题为“Crystallographic orientation control of pure chromium via laser powder bed fusion and improved high temperature oxidation resistance”发表在增材制造领域权威期刊Additive Manufacturing。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101624

本研究制造的纯Cr样品的相对密度超过90％，相对密度随着能量密度的增加而增加，最高相对密度为95.47％。所制造的试样由具有体心立方（BCC）结构的纯铬组成，没有任何其他相。（200）织构的相对强度随能量密度的增加而增强。在具有较高能量密度的制造条件下，形成了沿构造方向具有（100）取向的强晶体学织构（简称LPBF-（100）），而当以较低能量密度进行制造时形成了随机取向的晶体学织构（简称LPBF-R），说明通过控制激光能量可以控制Cr试样的晶体织构。

图1 加工后的LPBF试样的yz截面的SEM显微照片（a）E3（LPBF-R）和（b）E6（LPBF-（100）），以及（c）纯Cr粉和加工后试样的XRD结果

图2 （a-d）不同激光能量密度引起织构变化的IPF图；（a'-d'）对应的晶界图；（a''-d''）通过LPBF制造纯Cr的yz平面{100}极图。

图3 （a,a'）LPBF-（100）氧化后的横截面的SEM图和EPMA图；（b,b'）LPBF-R氧化后的横截面的SEM图和EPMA图

研究发现与随机取向的Cr样品相比，（100）取向的Cr样品氧化层厚度更小。这归因于两个因素：（1）在（100）晶体取向中抑制了晶粒内抗氧化性的取向依赖性；（2）由于抗氧化特殊晶界（CSL晶界）而导致的晶间氧化延迟。氧化层厚度曲线符合抛物线速率定律，与随机取向的Cr相比，（100）取向的Cr具有较低的抛物线速率常数。这表明（100）取向的Cr抗氧化性更强。

图4 （a）氧化前普通纯Cr表面的立体显微图；（b）氧化层厚度

图5 （a）LPBF-（100）和LPBF-R的质量与氧化时间平方根的关系图；

（b）氧化层厚度与氧化时间平方根的关系图

总的来说，本研究表明，抗高温氧化性在很大程度上归因于晶界密度和晶体学织构。使用LPBF制造有利于控制金属材料的晶体织构和晶界条件进而获得较好的抗氧化性。因此，该方法有望用于工业用高温抗氧化部件的生产。但是，开发适合高级应用的致密零件，仍需要进一步的研究。（文：破风）