編輯推薦：本研究表明抗高溫氧化性在很大程度上取決于晶界密度和晶體學織構。使用激光粉末床熔融增材制造技術則可以很好地控制金屬材料的晶體織構和晶界條件進而獲得較好的抗氧化性。

隨著在高溫下使用的材料需求增加，研究人員致力于尋找可在高于鎳基合金極限溫度下使用的新材料。鉻（Cr）及其合金由于其熔點高，良好的抗氧化性，密度低（比大多數鎳基高溫合金低20％）和高導熱率（比大多數高溫合金高2-4倍）而引起了廣泛關注。激光粉末床熔融（LPBF）是一種廣泛使用的金屬增材制造工藝，已被應用于制造鎳基合金、鈷基合金、鈦合金等，但還沒有關于LPBF加工純Cr的報道。

日本大阪大學的研究人員首次應用LPBF加工技術制造了純Cr，并控制純Cr的晶體織構研究了其高溫氧化行為。相關論文以題為“Crystallographic orientation control of pure chromium via laser powder bed fusion and improved high temperature oxidation resistance”發表在增材制造領域權威期刊Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101624

本研究制造的純Cr樣品的相對密度超過90％，相對密度隨著能量密度的增加而增加，最高相對密度為95.47％。所制造的試樣由具有體心立方（BCC）結構的純鉻組成，沒有任何其他相。（200）織構的相對強度隨能量密度的增加而增強。在具有較高能量密度的制造條件下，形成了沿構造方向具有（100）取向的強晶體學織構（簡稱LPBF-（100）），而當以較低能量密度進行制造時形成了隨機取向的晶體學織構（簡稱LPBF-R），說明通過控制激光能量可以控制Cr試樣的晶體織構。

圖1 加工后的LPBF試樣的yz截面的SEM顯微照片（a）E3（LPBF-R）和（b）E6（LPBF-（100）），以及（c）純Cr粉和加工后試樣的XRD結果

圖2 （a-d）不同激光能量密度引起織構變化的IPF圖；（a'-d‘）對應的晶界圖；（a''-d'’）通過LPBF制造純Cr的yz平面{100}極圖。

圖3 （a,a‘）LPBF-（100）氧化后的橫截面的SEM圖和EPMA圖；（b,b’）LPBF-R氧化后的橫截面的SEM圖和EPMA圖

研究發現與隨機取向的Cr樣品相比，（100）取向的Cr樣品氧化層厚度更小。這歸因于兩個因素：（1）在（100）晶體取向中抑制了晶粒內抗氧化性的取向依賴性；（2）由于抗氧化特殊晶界（CSL晶界）而導致的晶間氧化延遲。氧化層厚度曲線符合拋物線速率定律，與隨機取向的Cr相比，（100）取向的Cr具有較低的拋物線速率常數。這表明（100）取向的Cr抗氧化性更強。

圖4 （a）氧化前普通純Cr表面的立體顯微圖；（b）氧化層厚度

圖5 （a）LPBF-（100）和LPBF-R的質量與氧化時間平方根的關系圖；（b）氧化層厚度與氧化時間平方根的關系圖

總的來說，本研究表明，抗高溫氧化性在很大程度上歸因于晶界密度和晶體學織構。使用LPBF制造有利于控制金屬材料的晶體織構和晶界條件進而獲得較好的抗氧化性。因此，該方法有望用于工業用高溫抗氧化部件的生產。但是，開發適合高級應用的致密零件，仍需要進一步的研究。