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  • 激光粉末床熔化原位制造ODS F eCrALY合金
  • 2021-11-22
    氣體霧化Fe–24Cr–8Al–0.5Y(重量%)粉末用作氮?dú)鈿夥障录す夥勰┐踩酆瞎に嚨脑?。直徑?0–100 nm的富Al–Y–O納米顆粒的形成意味著富Al–Y–O納米顆粒在鐵素體基體中原位沉淀,形成氧化物彌散強(qiáng)化FeCrAl合金,而無需任何機(jī)械合金化。本文討論了激光粉末層熔快速凝固過程中內(nèi)氧化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。

    1.介紹
    氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)FeCrAl合金由于在高溫蒸汽環(huán)境和/或高輻射下具有優(yōu)異的抗氧化/耐腐蝕性和高誘導(dǎo)膨脹性,是一種耐事故的燃料包殼。目前的ODS FeCrAlY合金是通過FeCrAl預(yù)合金粉末與氧化釔納米顆粒的機(jī)械合金化(MA)以及隨后的熱固結(jié)來制造的。納米顆粒的不均勻分散、非均勻微觀結(jié)構(gòu)和耗時(shí)步驟的高成本是當(dāng)前的限制。

    在STEM模式下使用直徑為0.5nm的光束進(jìn)行EDS線掃描分析,顯示由于39Al–10Cr–1合金中圓盤顆粒和周圍基體中的Y、Al、Fe和Cr而產(chǎn)生的X射線計(jì)數(shù)。

    建立近凈形狀工藝,如減少步驟的增材制造(AM),對(duì)于FeCrAl合金的廣泛應(yīng)用是必要的。然而,關(guān)于采用AM技術(shù)開發(fā)ODS FeCrAlY合金的研究非常有限。此外,由于快速凝固,激光粉末床熔合(LPBF)有可能在熔化的情況下保持氧化物分散。LPBF還通過回收金屬粉末減少了材料消耗,并消除了連接過程,這是ODS合金面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

    BJT處理的SS 316L粉末中由于粘合劑殘留物的存在而產(chǎn)生的粉末團(tuán)聚體的SEM顯微照片(BJT打印后從制造零件附近收集的粉末樣品)。粘合劑噴射(BJT)工藝中的粉末回收既沒有研究,也沒有在其他地方發(fā)表。這可能部分是因?yàn)锽JT工藝不依賴于熱熔合,而熱熔合是增加LPBF中顆粒尺寸的主要機(jī)制。然而,BJT工藝容易發(fā)生噴墨(粘合劑),這可能會(huì)增強(qiáng)顆粒的凝聚和結(jié)合。

    Li等人使用內(nèi)部氧化機(jī)制(在粉末霧化期間)代替球磨生產(chǎn)ODS FeCrAl粉末。然后,內(nèi)部氧化粉末經(jīng)過常規(guī)步驟制造ODS FeCrAl。在內(nèi)部氧化機(jī)理中,氣體霧化粉末在高溫下進(jìn)行真空處理,然后在573–723 K的氧氣壓力<50 Pa下進(jìn)行氧化處理2–10 h。Y含量較高的氧化態(tài)粉末表面形成了尺寸為6-300nm的分散體。

    根據(jù)Odette的說法,ODS的基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)非常全面和高質(zhì)量的研究機(jī)構(gòu)。形成和維持納米氧化物性能所需的事件順序和成分處理路徑已經(jīng)確定。然而,值得注意的是,生產(chǎn)無缺陷ODS組件仍然是一項(xiàng)正在進(jìn)行的工作。目前的制造方法需要通過機(jī)械合金化和熱固結(jié)工藝路線制備大量粉末。這種必要性可能會(huì)消除使用預(yù)合金粉末的AM的其他看似有吸引力的選擇,因?yàn)樗鼈冊谌刍椭匦履虝r(shí)相分離。

    消除粉末處理(MA)的一種創(chuàng)新方法是,由于金屬粉末和LPBF室內(nèi)部的氧含量過高,LPBF中會(huì)發(fā)生內(nèi)部氧化。氧分壓低,激光束強(qiáng)度高,氧向內(nèi)擴(kuò)散與Marangoni對(duì)流相結(jié)合,加速氧化物形成溶質(zhì)的擴(kuò)散,如Y,形成富Y氧化物納米顆粒,如圖1a所示,導(dǎo)致納米顆粒的分散,而不涉及任何MA。

    圖1(a)內(nèi)氧化假說:LPBF期間,氧氣向內(nèi)擴(kuò)散,氧氣作為原子氧在熔池中溶解,(b)在平行于構(gòu)建方向的橫截面上形成柱狀晶粒。

    這項(xiàng)研究具有獨(dú)創(chuàng)性、新穎性和潛在的變革性,因?yàn)樗粌H消除了粉末加工的需要,并通過內(nèi)部氧化機(jī)制取代了粉末加工,而且由于采用了凈形AM工藝,因此不需要進(jìn)一步的熱固結(jié)、機(jī)加工和減法。在這項(xiàng)工作中,我們首次假設(shè)內(nèi)氧化機(jī)制可用于ODS合金的AM。

    2.材料和方法
    原料粉末為氣體霧化Fe–24Cr–8Al–0.5Y(重量%)。使用了一臺(tái)配有250 W Yb:YAG連續(xù)波光纖激光器的OR-LPBF機(jī)。制作了尺寸為D8×8mm的圓柱形樣品。通過使用以下工藝參數(shù)優(yōu)化LPBF參數(shù)以獲得>99%的相對(duì)密度:激光功率為100W,掃描速度為100mm/s,陰影間距為50μm,層厚度為30μm,光斑尺寸為50μm。在LPBF室內(nèi)持續(xù)吹掃商用純氮。密封構(gòu)建室上的氧氣水平始終保持在<400 ppm(<0.04 vol%)。使用FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡(SEM)和電子色散X射線,以及配備ChemiSTEM技術(shù)的透射電子顯微鏡(TEM)模型FEI TITAN 80–200對(duì)噴射拋光樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。

    3.結(jié)果和討論
    圖1b所示為柱狀晶粒,由于熱梯度、整體熱流方向以及外延生長對(duì)任何競爭生長機(jī)制的阻礙而平行于構(gòu)建方向形成。圖2a顯示了經(jīng)硝酸鹽蝕刻后ODS FeCrAlY的光學(xué)顯微照片。在10-220nm范圍內(nèi)形成數(shù)密度為1.48×1019m的納米顆粒?硝酸蝕劑腐蝕表面后發(fā)現(xiàn)。圖2b中,在較高放大率下,蝕刻表面上的白色箭頭表示納米顆粒。圖2b中的特征不是孔隙度。Marangoni流加速了納米顆粒的重排,導(dǎo)致納米顆粒均勻分布。平均直徑為63±24 nm的氧化物納米顆粒如圖2c所示,相關(guān)EDS分析如圖2d所示。元素分析檢測到基體成分(P3)中沒有Y和可能的微量氧。與基體相比,P1的組成顯示出更高的Al和O含量。P2的分析表明,與基體相比,Y的濃度較高,鋁的含量較低。

    圖2(a)垂直于構(gòu)建方向的蝕刻橫截面上FeCrAlY的光學(xué)顯微照片,(b)SEM顯微照片,顯示2 vol%硝酸鹽蝕刻5分鐘后的腐蝕表面,箭頭顯示納米顆粒,(c)TEM顯微照片,顯示具有三個(gè)點(diǎn)的納米顆粒,(d)EDS分析(c)和(e)處的指示點(diǎn)顯示高位錯(cuò)密度的TEM顯微照片。

    球形納米顆粒的均勻分布意味著,由于高氧親和力和氧化物的負(fù)生成焓,Y和Al在凝固過程中原位析出,因此迅速轉(zhuǎn)化為氧化物。如表1所示,在所有溫度下,Y–O和Al–O化合物的氧化物生成吉布斯自由能(ΔG)大于Cr和Fe氧化物的氧化物生成吉布斯自由能,使得Y–O、Al–O和Y–Al–O系統(tǒng)高度穩(wěn)定。因此,熱力學(xué)上,O與Y和Al的結(jié)合比與Fe和Cr的結(jié)合更有利。

    表1 各種氧化物形成的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能

    LPBF中沉淀的高動(dòng)力學(xué)歸因于高位錯(cuò)密度(如圖2e所示)和過量空位,加速了溶質(zhì)擴(kuò)散和納米顆粒的成核速率。氧原子對(duì)空位有很高的親和力,并且氧原子具有相當(dāng)大的結(jié)合能?1.45 eV定義了一個(gè)高度穩(wěn)定的O-空位對(duì)。然后,O-空位對(duì)吸引具有高O親和力的溶質(zhì),如Y和Al,從而使富含O的納米顆粒成核(如圖2c所示)。

    此外,LPBF制造的零件由于分層熔化和凝固而經(jīng)歷不穩(wěn)定的重新加熱和冷卻循環(huán)。一部分激光能量被粉末顆粒吸收,其余能量傳導(dǎo)到下層。根據(jù)數(shù)值研究,隨后的熱循環(huán)(STC)為LPBF過程提供了固有熱處理(IHT)特征,從而啟動(dòng)了類似于熱老化的原位擴(kuò)散過程。沉淀 
    隨著水平熱循環(huán)次數(shù)的增加,第一道時(shí)效區(qū)的顯微硬度沒有明顯變化,這與上述觀察到的顯微組織趨勢一致。SLMed單層樣品(h1和h2)和單線墻(v1-v6)的橫截面;h1'和h2'分別是h1和h2中方框區(qū)域的放大倍數(shù);I-VI是不同高度下單軌壁第一沉積層的微觀結(jié)構(gòu)放大率;(A)和(B)分別是單層樣品和單軌壁的第一個(gè)沉積軌跡中顯微硬度的變化趨勢。

    圖3顯示了高角度環(huán)形暗場(HAADF)莖顯微照片和相應(yīng)的EDS圖。正如其他研究人員所報(bào)告的那樣,納米顆粒的大小、組成和形態(tài)各不相同。富含Y–O和Y–Al–O的熱穩(wěn)定納米顆粒呈球形,直徑在10–100nm之間。然而,富含F(xiàn)e–Cr–O或Cr–Al–O的熱穩(wěn)定性較差的納米顆粒較粗,直徑在80–220 nm范圍內(nèi),沒有顯示任何Y,并且具有不規(guī)則的形態(tài)。含有Cr–Al–O的納米顆??赡芫哂泻?殼結(jié)構(gòu),具有鋁核和鉻殼,其中殼的厚度和核的大小各不相同。

    圖3 HAADF-STEM顯微照片和FeCrAlY的相應(yīng)EDS元素圖,表明含有Y、Al、Cr和O的氧化物納米顆粒。

    納米顆粒的直徑隨著顆粒中金屬與氧的比率的增加而增加,這可能是由于化學(xué)計(jì)量比的變化。分散在金屬基體中的高密度熱穩(wěn)定氧化物納米顆粒通過彌散強(qiáng)化機(jī)制(Orowan)阻礙位錯(cuò)移動(dòng),從而改善高溫下的機(jī)械性能?,F(xiàn)場ODS FeCrAlY顯示硬度為335±8 HV,表明與傳統(tǒng)制造的硬度為240 HV的FeCrAl合金相比,機(jī)械性能有所改善。

    4.結(jié)論
    ODS FeCrAl合金通過LPBF工藝原位制造,通過內(nèi)部氧化機(jī)制利用腔室內(nèi)的殘余氧,無需球磨、熱固結(jié)和機(jī)加工/連接。直徑為10–100nm的氧化物納米顆粒富含Y–Al–O和Y–O,這是由于在LPBF期間氧化物形成的高焓、高密度的位錯(cuò)、空位、Marangoni流和隨后的熱循環(huán)而形成的。

    來源In-situ manufacturing of ODS FeCrAlY alloy via laser powder bedfusion,Materials Letters,doi.org/10.1016/j.matlet.2020.129046
    參考文獻(xiàn)
    F. Wilson, B. Knott, C. Desforges Metall. Trans. A, 9 (2) (1978),pp. 275-282,D.G. Morris, M.A. Mu?oz-MorrisActaMater., 61 (12) (2013), pp. 4636-4647