激光粉末床熔融制备异质结构Cu-316L-xMo不混溶合金的高温氧化机理研究

《Journal of Alloys and Compounds》：The oxidation mechanism of heterogeneous structured Cu-316L- xMo immiscible alloys by laser powder bed fusion

本文系统研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备的Cu-316L-xMo不混溶合金在600°C/700°C的氧化行为，揭示了Mo元素对氧化动力学、氧化膜形成及完整性的影响机制。研究发现Mo离子掺入会加速氧化速率，MoO3的高挥发性会破坏氧化膜完整性，热循环导致氧化层开裂剥落，为高铁受电弓材料的高温防护提供新见解。

　　

氧化膜的宏观形貌

在600°C和700°C氧化过程中，LPBF制备的不混溶Cu-316L-xMo合金展现出阶段性的氧化演变。初始阶段（0小时），样品表面呈现明亮的镜面形态。氧化2小时后，表面颜色变为灰色，并因初期氧化物形成出现明显粗糙化。随着氧化进行，未观察到显著氧化皮剥落，但局部区域出现厚度差异，这就像皮肤在高温下呈现出"斑驳的成熟度"。

氧化物形成机制

从元素组成来看，不混溶Cu-316L-xMo合金主要包含Cu、Fe、Cr及少量Ni、Mo，可简化为Cu-Fe-Cr三元体系。这类合金表面氧化膜的成分如同"元素竞赛"的结果，由各组分浓度、扩散速率及其对氧的亲和力共同决定。有趣的是，Mo元素的加入就像在化学派对上引入了一位活跃分子，通过形成挥发性MoO₃改变了氧化物的稳定性。

结论

本研究揭示了LPBF制备的Cu-316L-xMo不混溶合金在高温下的氧化密码：首先，表面会形成CuO和Fe₂O₃组成的"异质氧化物夹心层"，由于ε-Cu和γ-Fe相的不混溶特性，氧化层厚度呈现"马赛克式"不均匀分布。更重要的是，Mo离子的掺入像给氧化反应装了加速器，而MoO₃的挥发则让氧化膜变得像瑞士奶酪般多孔。在热循环过程中，生长应力和热应力的双重打击最终导致氧化层开裂脱落，这为设计高性能高铁受电弓材料提供了重要预警机制。