激光旋转角度对选区激光熔化Hastelloy X合金高温氧化行为的调控机制研究

本文推荐：为提升选区激光熔化(SLM)制备镍基高温合金的抗氧化性能，研究人员通过调控激光旋转角度(0°、45°、67°、90°)，系统研究了晶界结构对Cr元素扩散及氧化膜形成的影响。研究发现0°样品氧化层最薄(5.67 μm)，67°样品氧化剥落面积最小，揭示了晶界密度与氧化行为的关联性，为SLM工艺优化提供了新策略。

　　

在航空航天和核工程领域，镍基高温合金因其卓越的机械性能和高温稳定性成为关键材料。然而，极端高温环境下的氧化问题始终是制约其寿命的瓶颈。传统制造的Hastelloy X合金虽能在1200℉下形成Cr₂O₃保护膜，但选区激光熔化(SLM)这种新兴添加剂制造技术所特有的快速凝固特性，导致合金微观结构与传统工艺存在显著差异。更棘手的是，SLM过程中激光扫描策略的微小变化——例如激光旋转角度——会通过改变熔池温度梯度而影响晶界分布，进而可能影响Cr元素的扩散通道和氧化动力学。目前，关于如何通过主动调控SLM工艺参数来优化合金抗氧化性能的研究仍属空白。

河北工业大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究，首次系统探究了激光旋转角度(0°、45°、67°、90°)对SLM制备Hastelloy X合金高温氧化行为的影响机制。研究采用BLT-S210金属3D打印机在氩气环境下制备样品，通过扫描电镜(SEM)分析微观结构，结合100小时高温氧化实验，综合评估了氧化膜厚度、Cr元素扩散路径和氧化剥落行为。

初始微观结构
高分辨率SEM显示，不同旋转角度样品均呈现典型的亚晶结构，包括胞状亚晶和柱状枝晶。0°样品熔池边界形成垂直于温度梯度的柱状晶，而熔池中心因冷却速率差异形成细晶区。旋转角度增加至67°时，晶界密度显著提高，这为后续解释氧化行为差异提供了结构基础。

样品表面氧化与剥落行为
氧化初期，熔池中心细晶区因高密度晶界（Cr元素快速扩散通道）而氧化更剧烈。100小时氧化后，0°样品虽Cr扩散路径最长（7.2 μm），却形成最薄氧化层（5.67 μm）；而67°样品氧化层最厚（6.88 μm），但剥落面积最小。研究首次发现氧化剥落程度与初始热裂纹密度呈正相关，0°样品剥落面积达38.7%，显著高于67°样品的12.3%。

元素扩散行为
通过电子探针(EPMA)分析证实，不同角度样品的Cr元素扩散路径密度存在显著差异：0°样品扩散路径稀疏但连续，而67°样品路径密集但较短。这种差异直接影响了Cr₂O₃保护膜的连续性，其中0°样品形成的氧化膜最致密。

该研究开创性地建立了激光旋转角度-晶界结构-氧化行为的调控关系，提出通过优化SLM扫描策略可主动抑制氧化剥落。具体而言，0°策略适合需要薄氧化层的应用场景，而67°策略在要求低剥落率的工况中更具优势。这一发现不仅为SLM工艺参数库增添了关键数据，更通过揭示晶界工程对高温氧化的调控机制，为开发新一代抗氧化的添加剂制造高温合金提供了理论支撑。研究团队特别指出，未来可结合机器学习算法，将激光旋转角度与其他SLM参数（如层厚、激光功率）协同优化，进一步突破现有材料性能极限。