頂刊《Acta Materialia》：激光增材制造納米ODS（氧化物彌散強(qiáng)化）鋼

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)《Acta Materialia》報(bào)道，來(lái)自德國(guó)的研究人員，利用SLM和DED兩種激光增材制造技術(shù)，對(duì)采用介電泳控制吸附0.08wt%的激光合成的納米Y2O3顆粒的Fe-Cr鐵素體粉末進(jìn)行了增材制造。并進(jìn)行了顯微組織和性能分析以及開(kāi)展了數(shù)值模擬。激光增材的ODS鋼在 600 °C的壓縮強(qiáng)度，同沒(méi)有添加Y2O2納米顆粒的DED和SLM制造的ODＳ合金相比較，分別增加了21%和29%。

△論文的Graphical asbstracts

氧化物彌散強(qiáng)化鋼（Oxide dispersion strengthened (ODS) ）由于在高溫下或在具有暴露的輻射的環(huán)境下具有較高的機(jī)械性能而聞名。其顯微組織取決于制造工藝，從納米顆粒的添加到鋼鐵基體的粉末，到富集納米顆粒的粉末的加工等，都會(huì)影響到其顯微組織。優(yōu)化工藝過(guò)程和控制工藝過(guò)程來(lái)建立一個(gè)清晰的原則，對(duì)增材制造ODS鋼來(lái)說(shuō)，仍然面臨著挑戰(zhàn)。在這里，來(lái)自德國(guó)的杜伊斯堡-埃森大學(xué)的研究人員及其合作者，對(duì)采用介電泳控制吸附（ dielectrophoretic controlled adsorption）0.08wt%的激光合成的Y2O3的Fe-Cr鐵素體粉末（PM2000）進(jìn)行了增材制造，研究了其顯微組織，納米顆粒的演變和機(jī)械性能。ODS鋼的制造技術(shù)的影響通過(guò)兩種標(biāo)準(zhǔn)的增材制造技術(shù)進(jìn)行了研究，即激光直接沉積（DED）和激光粉末床選擇性熔化（SLM）。ODS鋼在 600 °C的壓縮強(qiáng)度，同沒(méi)有添加Y2O2納米顆粒的DED和SLM制造的ODＳ合金相比較，分別增加了21%和29%。馬氏體硬度，對(duì)SLM制造的ODS合金來(lái)說(shuō)增加了９％，而DED制造的ODS合金則幾乎沒(méi)有變化。采用EBSD，SEM和ＥＤＳ以及APT等分析測(cè)試技術(shù)對(duì)制造的ODS合金的顯微組織，納米顆粒的成分和分布進(jìn)行了評(píng)估，DED和SLM制造的ODS合金的結(jié)果還進(jìn)行了對(duì)比。SLM制造的ODS合金中所具有的細(xì)小的晶粒尺寸和更加均勻分布的較低密度的團(tuán)聚的Y-O納米顆粒是在 600 °C機(jī)械性能得到提高的原因。SLM制造的ODS合金機(jī)械性能的提高和更加均勻的納米顆粒的分散通過(guò)模擬來(lái)進(jìn)行解釋，在SLM制造時(shí)，其熔池的冷卻速率比DED的冷卻速率要快兩倍數(shù)量級(jí)。

因此，這一工作所展現(xiàn)了和證實(shí)了完全采用激光技術(shù)來(lái)制造ODS的準(zhǔn)備和制造過(guò)程，為改善制造部件的顯微組織和提高高溫強(qiáng)度提供了借鑒。

制造具有復(fù)雜形狀的且具有定制特定３D結(jié)構(gòu)和提高諸如高溫強(qiáng)度，離子或中子輻射環(huán)境和抗氧化能力的部件的制造對(duì)在特殊場(chǎng)合的高溫應(yīng)用環(huán)境是至關(guān)重要的，如熱汽輪機(jī)或爐子中使用的材料，或者發(fā)展核反應(yīng)堆所使用的材料。增材制造技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，就一直作為一種理想的定制形狀和性能的先進(jìn)工藝而受到大家的青睞。尤其是，粉末為基礎(chǔ)的激光增材制造技術(shù)可以允許制造復(fù)雜幾何型形狀的部件而得到了迅速的發(fā)展，已經(jīng)在制造支架，假體等醫(yī)療上得到了應(yīng)用。以激光為基礎(chǔ)的激光增材制造有兩種，一種是SLM，一種是DED。在DED工藝中，粉末直接輸送到熔池中，而SLM技術(shù)則是在粉末層層鋪設(shè)之后，激光對(duì)每一層事先鋪設(shè)好的粉末進(jìn)行掃描熔化。所以，以鋪粉的過(guò)程來(lái)說(shuō)，SLM和DED因?yàn)镾LM需要單獨(dú)鋪粉，而DED是激光和送粉同時(shí)進(jìn)行的，所以DED的效率要高于SLM�；蛘哒f(shuō)SLM可以比較容易的來(lái)制造處更加復(fù)雜形狀的制品。但SLM和DED在工作原理上是一致的，即均包包括空間控制激光來(lái)輻射熔化粉末和形成熔池。結(jié)果，對(duì)這兩種工藝制造的制品進(jìn)行在顯微組織，機(jī)械性能方面進(jìn)行對(duì)比，就成為針對(duì)特定應(yīng)用背景進(jìn)行優(yōu)化選擇，就成為一個(gè)感興趣的話題。

圖1. 碎裂的辦法制造商業(yè)用納米Y2O3顆粒的通道反應(yīng)器設(shè)置的示意圖（ａ）和晶粒５次輻射循環(huán)后的Y2O3納米顆粒的TEM照片（ｂ）

▲圖解：其中激光束和顆粒的相互作用促進(jìn)他們的碎裂和／或碎裂，均勻化和減少納米顆粒分布的。插入的圖片顯示的測(cè)量得到的尺寸分布。

DED和SLM技術(shù)是靈活多變的技術(shù)，可以允許加工多種不同的材料，包括混合納米顆粒的鋼鐵材料。將納米顆粒添加到鋼鐵材料中是一種常規(guī)工藝來(lái)對(duì)最終的產(chǎn)品產(chǎn)生強(qiáng)化，基于如下幾個(gè)機(jī)理:

(i) 原子的夾雜物在合金基體中（固溶強(qiáng)化），這一機(jī)理共格和溶解的納米顆粒在金屬基材中高度相關(guān)。

(ii) 晶粒細(xì)化，此時(shí)表示的納米顆粒在加工后影響鋼鐵的凝固，導(dǎo)致晶粒尺寸變小。

(iii) 由于冷變形（加工硬化）造成大量位錯(cuò)的引入，可以通過(guò)納米顆粒作為位錯(cuò)源而得到加強(qiáng)。

(iv) 納米顆粒的存在，同鋼鐵基材不共格時(shí)，可以作為彌散相。

尤其是，有氧化物納米顆粒作支撐的粉末的加工造成了一類特殊鋼的存在，即氧化物彌散強(qiáng)化鋼（ oxide dispersion strengthened (ODS) steels）。同傳統(tǒng)的鋼基體中添加彌散強(qiáng)化相相關(guān)的是，可以強(qiáng)化材料，Y-相為基體的氧化物是最為常用的用作納米材料的強(qiáng)化相，這是因?yàn)樗�在鋼鐵中的溶解度低，其晶格錯(cuò)配度有利于彌散效應(yīng)的形成，阻礙了位錯(cuò)的發(fā)展。

早先的研究，關(guān)于納米顆粒尺寸和彌散在鋼鐵中的強(qiáng)化效應(yīng)的研究報(bào)道，這些參數(shù)決定了最終的ODS鋼的性能。結(jié)果，高的納米顆粒的彌散和納米顆粒尺寸的控制是必須的。因此，在本文中，SLM和DED技術(shù)應(yīng)用來(lái)研究工藝對(duì)納米顆粒的彌散，顆粒尺寸和最終成分的影響。

圖２. Y2O3納米顆粒修飾的鋼鐵粉末進(jìn)行激光增材制造的示意圖

▲圖解：a) 激光能量直接沉積技術(shù)，DED（Directed energy deposition）；b) 激光粉末床選擇性熔化技術(shù)，SLM（laser powder bed fusion）。

對(duì)于微米級(jí)別的鋼鐵粉末進(jìn)行混合Y2O3 時(shí)，最常見(jiàn)的辦法是機(jī)械合金化。然而，在球磨的過(guò)程中，控制納米尺寸不超過(guò)限制和防止粉末被污染，到目前為止尚不能被很好的解決。因此，基于激光合成納米顆粒和介電泳控制吸附（dielectrophoresis-controlled adsorption）技術(shù)被提出來(lái)，由于在整個(gè)過(guò)程中納米顆粒的尺寸可以很好的得到控制和監(jiān)控，這是一種基本的用來(lái)分離和研究制造技術(shù)對(duì)最終納米顆粒尺寸和分布的影響的技術(shù)。這一技術(shù)代表了一個(gè)革新的過(guò)程和被證明是一種可行的用于增材制造的合成氧化物彌散強(qiáng)化鋼的辦法。采用激光碎裂的辦法在液體中生成納米顆粒得益于激光合成技術(shù)固有的先進(jìn)性，使得加工大范圍的材料和獲得浪費(fèi)少和雜質(zhì)少的過(guò)程得到了保障。這些特征高度的同生成個(gè)性化的增材制造的粉末密切相關(guān)�；�于此，評(píng)估不同的納米顆粒對(duì)生成增材制造技術(shù)所需要的粉末進(jìn)行評(píng)估是非常必要的，以及對(duì)于制造產(chǎn)品的影響進(jìn)行評(píng)估也是非常必要的。此外，這一技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行，而且納米顆粒的產(chǎn)出還高，這些都是工業(yè)應(yīng)用中增材制造所需要的公斤級(jí)別的粉末供給是非常令人滿意的。

圖３. DED和SLM制造的沉積態(tài)的壓縮應(yīng)力σc和這兩種激光工藝加工納米顆粒修飾的鋼在不同溫度下得到的壓縮應(yīng)變

利用納米顆粒增強(qiáng)活性的鋼鐵粉末的制造技術(shù)可以允許對(duì)初始的納米顆粒的控制得到加強(qiáng)。此外，納米夾雜物在制造產(chǎn)品種的尺寸分布和成分不僅依靠初始的納米顆粒，同時(shí)還取決于加工過(guò)程種的改性過(guò)程（如富集，團(tuán)聚和分解等）。因此，非常有必要來(lái)評(píng)估不同增材制造技術(shù)對(duì)最終納米顆粒的分布和成分的影響，因?yàn)檫@將影響ODS鋼的性能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在當(dāng)前的工作中，增材制造產(chǎn)品的顯微組織和以及納米顆粒的存在形式和分布進(jìn)行了評(píng)估，并采用TEM和SEM，EDS，EBSD以及ATP等對(duì)采用不同工藝步驟制造的產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)估。

結(jié)果，我們的研究結(jié)果以DED和SLM制造的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，這同每一技術(shù)對(duì)最終制造產(chǎn)品的性能的影響密切相關(guān)。實(shí)際上，如同DED和SLM技術(shù)是加工鋼鐵粉末的常規(guī)工藝一樣，其結(jié)果將會(huì)對(duì)應(yīng)用該技術(shù)來(lái)優(yōu)化最終產(chǎn)品來(lái)獲得理想的產(chǎn)品也可以起到指導(dǎo)作用。此外，在ODS鋼制造過(guò)程中對(duì)顯微組織和納米顆粒演變的詳細(xì)評(píng)估是理解每一個(gè)步驟中Y2O3納米顆粒的作用是非�；�本的要求。這些結(jié)果同獲得新穎的納米顆粒的加成途徑的研究是高度相關(guān)的，基于激光碎裂（去團(tuán)聚）的 Y2O3 納米顆粒和介電泳沉積（dielectrophoretic deposition）鋼鐵粉末，它提供了一個(gè)完全全新的視角，包括增材制造技術(shù)的影響�？刂乒に噷�(duì)工業(yè)上應(yīng)用這一新穎的技術(shù)，來(lái)證明得到令人滿意的高溫強(qiáng)化的ODS鋼，同加工粉末包含非激光碎裂的 Y2O3納米顆粒的性能相當(dāng)。

圖４. 激光增材制造樣品的橫截面（平行于制造方向）的疊加圖像質(zhì)量（波段對(duì)比度）的反極圖

▲圖解：a) DED制造的原始鋼l, c) DED制造的 ODS鋼, e) LPBF制造的原始鋼, g) LPBF制造的 ODS鋼;長(zhǎng)度方向的結(jié)果（沿著垂直于制造方向） : b) DED 制造的原始粉末, d) DED 制造的ODS鋼, f) LPBF 制造的原始鋼, h) LPBF制造的 ODS鋼. 所有的顏色的代碼均指樣品的制造方向

圖５. 原子探針層析技術(shù)（Atom Probe Tomography, APT）結(jié)果

▲圖解：a-b) DED 制造的 ODS 鋼；c-d) LPBF 制造的 ODS 鋼steel。左側(cè)顯示的是不同顯微組織特征使用等成分面加強(qiáng)后得到的重構(gòu)體。重構(gòu)圖中的棕色表面對(duì)DED樣品來(lái)說(shuō)是高亮度的碳化物。紅色的表面在SLM樣品中的重構(gòu)是高亮的富集Y-的顆粒，綠色的表面為高亮的位錯(cuò)，也許會(huì)形成小角度晶界。位錯(cuò)均富集Ti和C。右側(cè)的圖片顯示的化學(xué)成分隨著等成分面的距離而得到的結(jié)果。

取得的主要成果
在這一工作中，通過(guò)對(duì)ODS鋼采用兩種不同的激光增材制造技術(shù)，即SLM和DED得到的結(jié)果進(jìn)行了比較研究。ODS鋼的原始粉末采用納米加成的PM2000微米級(jí)別的粉末，包含0.08%的激光生成的 Y2O3納米顆粒和介電泳控制的表面吸附（dielectrophoretic-controlled surface adsorption）。兩種工藝技術(shù)的影響和添加納米 Y2O3顆粒的影響通過(guò)在室溫下和 600 ° C下的壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比研究，采用SEM技術(shù)對(duì)其晶粒尺寸大小和分布，SEM-EDS技術(shù)對(duì)其顆粒，APT技術(shù)對(duì)其單個(gè)的納米顆粒的成分進(jìn)行了測(cè)量。這些測(cè)量技術(shù)使得我們可以觀察到SLM技術(shù)導(dǎo)致晶粒尺寸比DED的要小，納米夾雜物呈現(xiàn)出更加均勻的分布且具有較低的團(tuán)聚（SLM樣品中的情形）。FEM模擬DED和SLM的熔池揭示出凝固速率在SLM中可以比DED高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。SLM中的高的溫度梯度額外的導(dǎo)致了冷卻速率比DED要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。兩者的觀察結(jié)果均發(fā)現(xiàn)有利于納米顆粒的均勻分散和SLM工藝中納米顆粒的團(tuán)聚減少。這些特征是DED制造的ODS合金在600 °C呈現(xiàn)出顯著的強(qiáng)化效應(yīng)的原因，尤其是SLM的樣品，更是如此。研究結(jié)果顯示，制造工藝技術(shù)和可控的納米顆粒的沉積路線高度的影響這些鋼鐵樣品的機(jī)械性能。對(duì)SLM制造的ODＳ鋼，在600°C時(shí)其壓縮強(qiáng)度提高了~30%，這是同沒(méi)有納米加成的SLM制造的產(chǎn)品相比較的結(jié)果。研究結(jié)果證實(shí)了添加激光合成的納米顆粒到鋼鐵粉末中來(lái)利用SLM技術(shù)來(lái)制造ODS鋼是一種行之有效的改善制造產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)和提高機(jī)械性能的辦法。

圖６. 采用FEM進(jìn)行模擬得到的結(jié)果

▲圖解：SLM技術(shù)進(jìn)行制造時(shí)，采用FEM模擬得到的熔池 (a, c) 和采用DED技術(shù)進(jìn)行制造時(shí)利用模擬技術(shù)得到的熔池(b, d). 激光束移動(dòng)的方向時(shí)掃描方向（scanning direction (SD)），溫度分別為 LPBF (a) 和 DED (b)凝固速率則繪制成橫截面（cross-section in transverse (TD) ）和熔化時(shí)形成的熔池的制造方向。Tsol 和 vsol 分別表示固相溫度和凝固速率。氧化物納米顆粒的影響可以忽略，這是因?yàn)樗�的體積含量很少。


文章來(lái)源：Microstructure formation and mechanical properties of ODS steels built by laser additive manufacturing of nanoparticle coated iron-chromium powders,Acta Materialia,Volume 206, March 2021, 116632,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116632