Fe颗粒粒径分布对PBF-LB/M加工Fe–SiC混合粉末化学均匀性、微观组织及裂纹形成的影响

《Advanced Engineering Materials》：Influence of Fe Particle Size Distribution on Chemical Homogeneity, Microstructure, and Crack Formation in Fe–SiC Powder Blends Processed by PBF-LB/M

　　

粉末混合为激光束金属粉末床熔融（PBF-LB/M）中的合金设计提供了一条灵活路径，但颗粒特性的差异会影响熔化过程、化学均匀性及裂纹形成。先前关于Fe–SiC粉末混合物的研究表明存在颗粒尺寸影响，由此预期更细的Fe颗粒可改善致密化与均匀化效果。本研究探讨了Fe颗粒粒径分布对可加工性、微观组织及化学均匀性的影响。研究人员制备了两种含95 wt.% Fe和5 wt.% SiC的混合粉末，分别采用20–45 μm（M45）和20–63 μm（M63）的Fe颗粒粒径，而SiC组分保持恒定为20–63 μm。两种混合粉末均实现了99.78%的相对密度。然而，M45表现出广泛的裂纹和更大的成分波动，而M63则显示出更宽的无裂纹加工窗口和略优的元素均匀性。M45还表现出较低但更均匀的硬度，而M63的平均硬度更高但局部变化更大。与初始假设相反，较粗的Fe组分提供了更稳定的加工过程和更好的化学均匀性，表明在混合PBF-LB/M体系中，更细的Fe颗粒并不必然增强均匀化或工艺稳定性。

Fe颗粒粒径分布对Fe–SiC混合粉末PBF-LB/M加工性能的影响：研究背景、方法、结果与结论解读

一、研究背景与问题提出

激光束金属粉末床熔融（PBF-LB/M）技术能够制造具有定制微观组织和成分的复杂部件，其中粉末混合作为传统预合金粉末的替代方案，为合金设计提供了灵活途径，可实现增强颗粒的引入及加工过程中新型合金体系的原位形成。金属–陶瓷混合粉末体系因可调控硬度、耐磨性和热稳定性等力学性能而受到广泛研究，但此类体系在PBF-LB/M加工中面临诸多挑战，包括各组分熔化特性差异、密度与缺陷形成的波动，以及实现元素和性能均匀分布的局限性。在含碳或SiC等陶瓷添加剂的体系中，增强颗粒的部分溶解及Si和C在金属基体中的再分配进一步增加了复杂性，不完整的颗粒熔化或混合不充分可导致化学不均匀性、残余颗粒及微观组织和力学性能的局部变化。

已有研究表明，粉末特性如粒径分布、形貌和流动性显著影响PBF-LB/M的加工稳定性和部件质量。在混合粉末中，各组分颗粒尺寸的作用尤为关键，直接影响熔化特性、局部合金形成和缺陷产生。较小颗粒因其更高的比表面积和更短的扩散距离通常被认为更易熔化，应能促进化学均匀化。然而，高比例细颗粒可能因团聚倾向和堆积均匀性下降而对粉末流动性产生负面影响。先前针对同一Fe–Si–C材料体系的研究发现，使用Fe–SiC混合粉末导致微观组织中存在部分或完全未熔化的Fe颗粒，这些残余颗粒造成化学不均匀性并限制了材料性能。基于此，研究人员假设Fe颗粒粒径分布强烈影响颗粒溶解和合金形成，减小Fe颗粒尺寸有望促进完全熔化及更均匀地融入熔池，从而改善化学均匀性并减少缺陷形成。然而，粒径分布、熔池动力学和元素再分配在混合粉末体系中的综合影响仍缺乏充分理解，因此本研究系统探究了Fe颗粒粒径分布对PBF-LB/M加工的Fe–Si–C混合粉末可加工性、微观组织形成和化学均匀性的影响。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员制备了两种由95 wt.% Fe和5 wt.% SiC组成的混合粉末，采用两种不同的Fe颗粒粒径组分：M45（Fe粒径20–45 μm，SiC粒径20–63 μm）和M63（Fe粒径20–63 μm，SiC粒径20–63 μm），目标合金成分约为Fe–3.5Si–1.5C。两种混合粉末在相同PBF-LB/M参数下加工，系统分析了密度、裂纹形成、微观组织和化学元素分布。

研究采用的主要关键技术方法包括：激光衍射法测定粒径分布；扫描电子显微镜（SEM）表征粉末形貌；霍尔流速法和振实密度测量评估流动性并计算豪斯纳比；在AconityMini系统上进行PBF-LB/M加工，激光功率300–400 W、扫描速度600–750 mm/s共12组参数；光学显微镜进行孔隙率分析；电子探针显微分析（EPMA）进行大面积元素分布测绘以评估Fe、Si、C的化学均匀性；显微硬度测试按7×7网格进行硬度分布表征。

三、研究结果

3.1 粉末表征

SEM图像显示两种混合粉末中球形Fe颗粒与不规则SiC颗粒均匀分布，无团聚现象。筛分处理将Fe粉末的d_0.9值从62.0 μm降至46.2 μm，M45的中位粒径（d_0.5=32.3 μm）小于M63（d_0.5=36.9 μm）。两种混合粉末均表现出相当的流动性，M63的霍尔流速略短，豪斯纳比分别为M45的1.20和M63的1.24，按Carr分类均属流动性尚可。

3.2 相对密度

M45几乎所有参数组均出现裂纹甚至完全分层，仅P2参数组获得无裂纹试样，相对密度99.78%，检测到333个孔，平均孔径10 μm。M63在P3、P5、P6、P9、P10和P12参数组获得无裂纹试样，其中P3经定量评估相对密度同为99.78%，检测到594个孔，平均孔径8 μm。M45的最佳参数为300 W/650 mm/s（E_v=115.4 J/mm3），M63的最佳参数为300 W/700 mm/s（E_v=107.1 J/mm3）。M63的无裂纹加工窗口明显更宽，覆盖约100–145.8 J/mm3的E_v范围，表明体积能量密度并非决定无裂纹制造的唯一因素。

3.3 微观组织

M45试样呈现明显的层状结构，上部中央区域存在粗大亮区和暗区交替，暗区含针状组织，主要为马氏体相并含残余奥氏体；下部区域为更细的显微组织，由回火马氏体、少量贝氏体和细小弥散残余奥氏体组成。M63整体组织更均匀，上部为马氏体区域但较M45更细且分布更均匀，中下部为细化的回火马氏体与少量贝氏体混合组织。两种试样均表现出PBF-LB/M典型的层状结构，反映沿构建方向的反复热循环，但M63的微观组织组分分布更均匀，M45的局部相衬更强、粗大马氏体区域更突出。

3.4 化学成分与均匀性

电子探针分析显示，M45的Fe含量沿构建方向波动更明显，平均94.0±3.6 wt.%，M63为94.2±3.1 wt.%，平均值几乎相同但M63分布更均匀，尤其在下部区域，这归因于后续层沉积的再加热效应促进重熔和扩散。Si分布方面，M45存在更多完全未熔化的Fe颗粒区域，平均Si含量2.63±0.35 wt.%；M63的Si分布更均匀，平均2.66±0.38 wt.%，未熔化Fe颗粒更少。C分布方面，M45的平均C含量为0.96±0.92 wt.%，M63为0.94±0.60 wt.%，M63的标准差更低，表明C分布更均匀。综合Fe、Si、C三种元素，M63的整体化学均匀性略优于M45，与初始预期相反，更细的Fe颗粒并未改善化学均匀化。

3.5 硬度

显微硬度测试显示，M45的平均硬度为719 HV0.005，标准差54 HV0.005，范围616–812 HV0.005，硬度分布相对均匀。M63的平均硬度更高，为855 HV0.005，但标准差显著更大（119 HV0.005），最大值达1200 HV0.005，最小值670 HV0.005与M45相当。M63的硬度波动增大与先前观察到的微观组织异质性和局部元素波动一致。与先前研究（平均硬度741 HV0.005，标准差61 HV0.005）相比，M45的平均硬度和标准差与之接近。局部硬度峰值超过1000 HV0.005的现象在两项研究中均存在，可能与碳富集区域促进马氏体形成有关。

四、讨论与结论

讨论部分指出，裂纹形成不仅受激光参数影响，还受材料特定效应影响。高碳含量和不同Fe粒径相关的熔化特性起决定性作用：碳溶解并入熔体可促进马氏体形成和硬度升高，从而增加残余应力和裂纹敏感性。M45中较细的Fe颗粒可能在激光作用区产生更高的堆积密度，导致熔化能耗增加和有效峰值温度降低，限制了熔池对流和元素再分配，但实现了更均匀的颗粒熔化并减少了极端局部成分变化。M63中较粗的颗粒分布可能促进更强的局部过热和熔池动力学，改善了化学均匀化，但也增加了相形成和硬度的局部变化。通过提高能量输入来增强均匀化的尝试受到裂纹形成的限制，这很可能与高碳含量和马氏体相变引起的相变应力有关。

研究结论表明，在PBF-LB/M加工的Fe–SiC混合粉末中，更细的Fe颗粒并未自动改善裂纹抗力或化学均匀性。相反，较粗的Fe组分提供了更稳健的加工窗口、更低的裂纹敏感性、更好的化学稳定性和更均匀的微观组织。然而，较细的Fe组分产生了更均匀的力学性能，凸显了化学和微观组织均匀性与力学一致性之间的权衡。Fe颗粒粒径在化学均匀性、裂纹敏感性和力学一致性之间起着主导作用，表明更细的颗粒并不必然改善加工稳定性或材料性能。