核用鐵鉻鋁（FeCrAl）合金增材制造技術(shù)：綜述

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

美國(guó)北德克薩斯大學(xué)材料科學(xué)與工程系及敏捷與自適應(yīng)增材制造中心的科研人員綜述了用于核應(yīng)用的鐵鉻鋁合金增材制造技術(shù)的研究。相關(guān)論文以“Additive manufacturing of FeCrAl alloys for nuclear applications - A focused review”為題發(fā)表在《Nuclear Materials and Energy》上。

重點(diǎn)：
1.介紹與鐵鉻鋁（FeCrAl）合金增材制造（AM）相關(guān)的挑戰(zhàn)和優(yōu)勢(shì)。
2.總結(jié)了AM制造的鐵鉻鋁合金的顯微組織和相變。
3.綜述了AM制備的鐵鉻鋁合金的力學(xué)性能和抗氧化性能。
4.討論了AM制備的鐵鉻鋁合金的輻照響應(yīng)的發(fā)展前景。

鐵鉻鋁合金（FeCrAl）具有優(yōu)異的高溫抗氧化性和機(jī)械強(qiáng)度，使其成為各種工程領(lǐng)域（尤其是核領(lǐng)域）具有廣泛適用性的前沿材料。除了其獨(dú)特的性能外，由于通過(guò)多功能增材制造技術(shù)進(jìn)行制造的巨大潛力，它們很可能繼續(xù)在這些應(yīng)用中占據(jù)重要地位。鑒于此，本綜述文章對(duì)近期研究進(jìn)行了詳盡考察，全面概述了鐵鉻鋁合金增材制造方面取得的進(jìn)展。文章深入分析了聚變制造過(guò)程中遇到的挑戰(zhàn)，詳細(xì)研究了其微觀結(jié)構(gòu)特征，評(píng)估了其力學(xué)和氧化性能，并探討了其在輻照相關(guān)應(yīng)用中的潛在用途。近期關(guān)于AM的鐵鉻鋁合金性能的一些研究成果增強(qiáng)了AM用于制造這些具有挑戰(zhàn)性的材料的信心。例如，激光焊接的鐵鉻鋁合金在560°C的溫度下輻照高達(dá)1.9 dpa，合金力學(xué)性能沒(méi)有下降，并表現(xiàn)出與鍛造合金相當(dāng)?shù)牧�學(xué)性能。
關(guān)鍵詞：鐵鉻鋁合金；增材制造；聚變制造的挑戰(zhàn)；高溫抗氧化性

圖1.(a)L-PBF；(b)L-DED的示意圖。

圖2.激光、液態(tài)熔池和氣體相互作用過(guò)程中熔池吸氧和除氧的路徑示意圖。

圖3.金屬凝固形態(tài)示意圖(a)柱狀生長(zhǎng)的樹(shù)狀晶粒因凝固收縮而出現(xiàn)裂紋；(b)納米顆粒的加入促進(jìn)了等軸晶粒的生長(zhǎng)，從而適應(yīng)了凝固應(yīng)變。

圖4.鋁和鉻濃度主要問(wèn)題的鐵鉻鋁合金成分設(shè)計(jì)圖。

圖5.304L不銹鋼的EBSD圖顯示：（a）未添加釔的柱狀晶粒；（b）添加5wt%釔的等軸晶粒。

圖6.(a)STEM圖像顯示粗附屬氧化物顆粒及其相應(yīng)的EDS圖；(b)粗附屬氧化物的SAD圖；(c)和(d)顯示模擬衍射點(diǎn)，突出顯示沿[-4 1 0]方向的Y4Zr3O12氧化物和沿[-4 1 0]方向的Al2O3氧化物。

圖7.經(jīng)AM處理的FeCrAlY-0 wt.%TiC的TEM分析。(a)-(c)顆粒和相應(yīng)的EDS分析;(d)核殼粒子形成過(guò)程示意圖。

圖8.基于多物理場(chǎng)的L-PBF和DED過(guò)程計(jì)算分析。(a)-(d)熔池凝固的有限元模擬，顯示凝固溫度（Tsol）和凝固速率（Vsol）的差異。

圖9.平行（a）和垂直（b）于成型方向的L-PBF打印試樣的電子背散射衍射（EBSD）掃描圖及其紋理圖。

圖10.(a)橫向打印的316L樣品和(b, c)重新掃描后的316L樣品沿成型方向(BD)的EBSD 逆極圖和紋理圖，(b)代表重新掃描方向(RD)的樣品，(c)代表掃描方向(SD)的樣品。

圖11.L-DED制作的鐵鉻鋁樣品的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF STEM）顯微圖，顯示向外和向內(nèi)生長(zhǎng)的氧化物。

已發(fā)表的有關(guān)鐵鉻鋁合金AM的研究，為了解這種生產(chǎn)工藝的前景和障礙及其微觀結(jié)構(gòu)屬性提供了深入的見(jiàn)解。在某些研究中，研究結(jié)果的差異是顯而易見(jiàn)的，尤其是在基于激光的 AM技術(shù)中納米氧化物的形成方面�？偟膩�(lái)說(shuō)，通過(guò)集體分析，科研人員得出后續(xù)的觀察結(jié)果和推論。公開(kāi)文獻(xiàn)中關(guān)于通過(guò)AM路線(xiàn)制造鐵鉻鋁材料及其輻照響應(yīng)的研究有限，這表明在基于AM制造這些材料的制造科學(xué)方面存在大量深入研究的機(jī)會(huì)，來(lái)有效提高核應(yīng)用中的性能�？梢詮囊韵聨讉�(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行探索。

1.基于鐵鉻鋁的AM技術(shù)處于起步階段。大多數(shù)研究在該系統(tǒng)中采用了L-PBF和L-DED技術(shù)。目前的文獻(xiàn)表明，基于電子的增材制造技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用還沒(méi)有達(dá)到同樣的程度。

2.通過(guò)AM制造的鐵鉻鋁的特性和性能在很大程度上取決于工藝參數(shù)，如激光功率、掃描策略以及打印過(guò)程中的腔室氣氛。特別是觀察到腔室氣氛在形成原位氧化物方面起著重要作用，而原位氧化物會(huì)影響制造部件的力學(xué)性能和抗輻照性能。

3.一些研究表明，與傳統(tǒng)制造的部件相比，AM制造的部件具有更好的抗氧化性能，這主要是由于在AM部件中形成了有利的氧化層。

4.雖然目前還沒(méi)有關(guān)于AM制造的鐵鉻鋁部件抗輻照性能的直接研究，但基于激光的焊接研究表明，在中子輻照下，AM制造的鐵鉻鋁部件具有良好的輻照響應(yīng)，這表明AM加工的鐵鉻鋁部件的輻照性能有望得到改善。

以上列舉的是文獻(xiàn)中的可用信息，但在鐵鉻鋁AM這一相對(duì)較新的領(lǐng)域中，還存在很大的差距，概述如下。

1.有限的鐵鉻鋁合金AM研究主要集中在適合核應(yīng)用的成分窗口之外的合金上，并指出AM 制造的鐵鉻鋁合金具有高度的各向異性；需要謹(jǐn)慎的成分控制；以及需要物理驅(qū)動(dòng)的工藝優(yōu)化。

2.計(jì)算-實(shí)驗(yàn)方法有助于從根本上了解基于激光的AM制造的FeCrAl-ODS合金的加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，也為以較低成本制造性能更強(qiáng)、無(wú)裂紋和氣孔等缺陷的核反應(yīng)堆部件鋪平了道路。

3.需要對(duì)AM鐵鉻鋁合金在不同環(huán)境下的高溫抗氧化性進(jìn)行深入探討，以便更好地了解其潛在機(jī)理，而有關(guān)AM鐵鉻鋁合金在其他環(huán)境下抗氧化性的文獻(xiàn)資料非常稀少。

4.需要探索AM技術(shù)中原位氧化的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)氧化物納米顆粒在整個(gè)基體中的均勻分散。

5.在對(duì)AM制造的鐵鉻鋁合金進(jìn)行輻照研究方面存在較大研究空白，需要探索AM制造的鐵鉻鋁合金在核反應(yīng)堆部件中的應(yīng)用。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101702