采用激光粉末床熔融技术制备的纹理化Hastelloy-X合金的磨损与腐蚀性能：工艺参数范围及微观结构特征

《Journal of Materials Research and Technology》：Wear and corrosion performance of textured Hastelloy-X fabricated by laser powder bed fusion: Process window and microstructural features

本研究探讨了激光粉末床融合（L-PBF）过程中体积能量密度（VED）对Hastelloy-X合金致密化和显微结构的影响，及其对磨损和腐蚀性能的作用。结果表明，不同VED参数导致熔池几何形状变化，影响致密化（35-95 J/mm3最佳）和晶体学织构（如HX1强<100>取向，HX2混合<100>和<110>）。磨损机制随载荷变化，低载荷下氧化磨损主导，高载荷下变形磨损为主，与硬度相关。腐蚀性能方面，HX2因低腐蚀电流密度（26.63 μA/cm2）表现最佳，而HX1因孔隙和强织构导致耐蚀性最差。

　　在现代工业中，材料的性能直接关系到其应用范围和寿命。随着先进制造技术的不断发展，激光粉末床熔融（L-PBF）作为一种快速成型技术，被广泛应用于制造高性能材料。本研究聚焦于Hastelloy-X（HX）合金在L-PBF过程中的行为，特别是体积能量密度（VED）对HX合金致密化和微观结构演化的影响，以及这些变化如何进一步影响其磨损和腐蚀性能。HX合金因其在高温和氧化环境下表现出优异的机械性能和耐腐蚀性，成为航空航天和核工业中的关键材料。然而，传统铸造工艺在制造复杂结构部件时成本高昂且耗时，因此研究L-PBF工艺对HX合金性能的影响显得尤为重要。

在L-PBF过程中，不同工艺参数会对熔池几何形状产生显著影响，从而改变材料的致密化程度和微观结构特征。研究表明，VED是影响这些变化的关键因素之一。VED过高时，熔池的形成方式会导致关键孔洞的出现，降低材料的致密性；而适当控制VED则有助于形成更加均匀和致密的微观结构。此外，VED还会影响<100>细胞状微观结构的生长方向，从而改变材料的晶体学织构发展。具体而言，高VED条件下，<100>取向的晶粒在x、y和z方向上表现出较强的对齐性，而中等VED则能促进<100>和<110>晶粒的混合分布，低VED则导致微弱的<100>取向。这些变化对材料的磨损和腐蚀性能具有重要影响，因此，研究如何通过优化工艺参数来控制微观结构，从而改善材料的综合性能，具有重要的现实意义。

磨损性能的评估表明，不同负载条件下，HX合金表现出不同的磨损机制。在低负载下，氧化磨损占主导地位，其特点是材料表面形成稳定的氧化层，从而提高了耐磨性。而在高负载条件下，变形磨损成为主要机制，此时材料的硬度成为决定耐磨性的关键因素。这种现象表明，材料的微观结构和织构对其在不同工作条件下的磨损行为具有重要影响。因此，通过控制VED，可以有效调整材料的硬度和晶体学取向，从而优化其在不同负载条件下的磨损性能。

在腐蚀性能方面，材料的致密性、晶粒细化以及高位错密度通常有助于形成稳定的钝化膜，从而提高材料的耐腐蚀能力。然而，晶体学取向同样是一个不可忽视的因素，因为<100>取向的区域比其他取向更容易发生腐蚀，这表明L-PBF过程中固有的晶体学取向对材料的腐蚀行为具有显著影响。本研究发现，尽管HX2和HX3在致密性和晶粒细化方面表现出良好的性能，但HX2在腐蚀测试中展现出更好的耐腐蚀性，这可能与晶体学取向的分布有关。因此，尽管晶粒细化和位错密度有助于钝化膜的形成，但材料的晶体学取向仍可能成为腐蚀性能的关键影响因素。

本研究还探讨了VED对材料表面形貌和微观结构的影响。通过SEM和EDS分析，发现不同VED条件下材料表面氧化层的形成和分布存在显著差异。例如，在低负载条件下，HX1样品表现出较高的氧含量，这表明其表面形成了较为稳定的氧化层，从而增强了其耐磨性。而在高负载条件下，氧化层的破坏导致了变形磨损的主导，表明材料的硬度成为影响磨损性能的关键因素。这些结果进一步表明，VED不仅影响材料的致密性和微观结构，还对其表面性能产生深远影响。

此外，研究还揭示了材料内部缺陷对腐蚀行为的影响。HX1样品由于高VED输入，形成了较多的关键孔洞，这些孔洞成为腐蚀的优先发生区域，导致局部酸化并破坏钝化膜的连续性，从而加剧腐蚀。相比之下，HX2和HX3样品的致密性较高，减少了孔洞的形成，因此表现出更好的耐腐蚀性。这一发现强调了在L-PBF过程中，优化工艺参数以减少内部缺陷的重要性。

在材料的微观结构方面，研究还探讨了不同VED输入对晶粒尺寸、晶界特征以及位错密度的影响。这些微观结构特征不仅决定了材料的致密性，还对其磨损和腐蚀行为产生影响。例如，较大的晶粒尺寸和较低的晶界密度可能导致较低的硬度，从而影响材料的耐磨性。而较高的位错密度和较短的晶界长度则有助于钝化膜的形成，从而提高材料的耐腐蚀能力。这些结果表明，材料的微观结构特征与性能之间存在复杂的相互作用，需要综合考虑多种因素。

本研究的结论表明，VED在L-PBF过程中对HX合金的性能具有显著影响。通过合理控制VED，可以有效优化材料的致密性和微观结构，从而改善其磨损和腐蚀性能。高VED可能导致材料内部形成较多的关键孔洞，降低其致密性，进而影响性能；而中等VED则有助于形成均匀的微观结构，提高材料的致密性和耐磨性。同时，不同晶体学取向对材料的性能也具有重要影响，特别是在腐蚀行为方面，<100>取向的晶粒更容易发生腐蚀，因此需要在设计和制造过程中充分考虑晶体学取向的影响。

总的来说，本研究通过系统分析VED对HX合金在L-PBF过程中的影响，揭示了致密化、微观结构演化以及性能变化之间的关系。这些发现不仅有助于理解L-PBF工艺对材料性能的影响机制，还为未来设计和制造高性能、耐磨损和耐腐蚀的材料提供了重要的理论依据和实践指导。在实际应用中，合理选择工艺参数，如激光功率、扫描速度和扫描策略，可以有效优化材料的微观结构，从而提高其在各种工作环境下的性能表现。