《AM》首次证明增材制造(001)取向晶粒提高金属抗高温氧化性

导读：本文采用不同激光能量密度的激光粉末熔合(LPBF)增材制造技术制备金属铬，以改变其微观结构和高温氧化行为。激光能量密度的增加导致形成了强（001）晶体结构,(001)取向铬的晶粒尺寸大于随机取向铬，并改变了高角度晶界和重合点阵晶格(CSL)晶界特征。(100)取向铬的氧化层厚度得到显著减小，用LPBF制得的纯铬的氧化动力学符合抛物线速率定律。晶体取向影响了铬的氧化，因为(100)取向的纯铬呈现较低的抛物线速率常数，说明(100)取向的铬具有抗氧化性。这是首次报道了使用LPBF生产的Cr的立方晶织构的形成和高温抗氧化性的改善。

由于铬（Cr）金属及其合金熔点高，抗氧化性好，密度低，导热率高，因此铬（Cr）金属及其合金被应用在高温工作环境下的工件，例如喷气发动机。许多高温合金依靠含有氧化铬的氧化皮来防止其氧化和腐蚀。一些研究已经描述了在不同环境中纯Cr和Fe-Cr系统的氧化。这些研究结果认为其行为类似于铁，形成了弱的保护层，或形成了类似于纯铬的保护层。

燃气轮机用高温下使用的零件的寿命和效率具有更严格的要求，不仅可以通过改善材料选择来解决，还可以通过设计具有更有效冷却通道的零件来解决。增材制造（AM）技术可以在短时间内以低成本制造复杂结构的组件。激光粉末床熔合（LPBF）是一种广泛使用的金属AM工艺，被用于制造纯Cr。这样可以直接用金属粉末材料生产出接近最终形状的零件。此外，据报道，LPBF能够实现以晶体学取向为特征的微结构控制，从随机取向的多晶到高度织构化的微结构。这是通过在不同的激光扫描条件下调节热梯度、方向以及固液界面迁移速率来实现的。此外，LPBF技术还可以通过控制各种金属材料的微观结构来设计具有卓越性能的产品，例如镍基合金，钴基合金，钛合金，铝合金和钢。然而，目前还没有关于纯铬的LPBF处理的报道。

基于此，日本大阪大学Takayoshi Nakano教授团队首次报道了使用LPBF生产的Cr的立方晶体织构的形成和高温抗氧化性的改善，并深入研究了高温抗氧化行为机理。相关研究结果以题为“Crystallographic orientation control of pure chromium via laser powder bed fusion and improved high temperature oxidation resistance ”发表在Additive Manufacturing上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860420309969

本文首次证明，通过控制LPBF加工条件，可以形成结晶织构并改变纯Cr的微观结构。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，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。（100）取向的Cr试样的晶粒尺寸大于随机取向的试样，并且GBCD因晶体图形织构和晶粒尺寸而不同。

图1.（a）用于LPBF的纯Cr粉末的形态，（b）粒度分布和（c）LPBF制造的样品（E3）的外观。

图2.（a）激光扫描策略和（b）用于高温氧化测试的样品示意图。

图3.制成的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Cr样品的XRD图谱

图4.（ad）IPF图，显示了各种激光能量密度下织构的变化，（a'-d'）对应的晶界图，（a“ -d”）的yz的{100}极图 通过LPBF制造的纯Cr平面。

图5.样品LPBF-（100）和LPBF-R的（a）大角度晶界分布和（b）CSL晶界分数的比

较。

图6.样品LPBF-（100）和LPBF-R的表面在1073 K进行86.4 ks氧化测试后的XRD图谱。

与随机取向的Cr样品相比，（100）取向的Cr样品显示出明显更小的氧化层厚度。这归因于两个因素：抗氧化性的取向依赖性，其中在（100）晶体取向中防止了晶内Cr的扩散，以及由于抗氧化性的CSL边界而延迟了晶间氧化。

氧化皮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具有抗氧化性。

图7.（a，b）氧化试验后在（a，a'）LPBF-（100）和（b。b'）LPBF-R的横截面的SEM图像和（a'，b'）EPMA图像

图8.（a）氧化试验前市售Cr表面的立体显微镜图像。虚线描绘了LPBF和市售Cr样品的晶体Cr晶粒（CG）和（b）氧化皮厚度的晶界。

图9.（a）样品BFBF-（100）和LPBF-R的质量增益与氧化时间的平方根和（b）氧化皮厚度与氧化时间的平方根的关系图。