微量Y2O3添加对激光粉末床熔融Fe-6.5 wt.% Si合金致密化、微观组织演变及软磁性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of Trace Y 2O 3 Addition on Densification, Microstructural Evolution, and Soft Magnetic Properties of Fe-6.5 wt.% Si Alloy Fabricated by Laser Powder Bed Fusion

　　

高硅钢，特别是Fe-6.5 wt.% Si合金，具有优异的软磁性能，包括高磁导率、低铁损和近零磁致伸缩，因此在高速电机、高频变压器和航空航天电磁设备中显示出相当大的应用潜力。随着Si含量的增加，Fe-Si合金的电阻率显著增加，从而有效降低高频工作条件下的涡流损耗。然而，当Si含量接近6.5 wt.%时，冷却过程中容易形成B2和D0₃有序相，导致室温脆性显著增加，严重限制了该合金的常规轧制和加工。近年来，增材制造的进步为复杂高硅钢部件的一体化制造提供了新的技术路线。其中，激光粉末床熔融（LPBF）作为一种代表性的粉末床熔融增材制造工艺，具有设计灵活性高、近净成形制造以及能够制造复杂几何形状等优势，因此在制备高性能软磁材料方面引起了广泛关注。同时，LPBF相关的高冷却速率可能抑制有序相的形成，从而缓解高硅钢的脆性。然而，由于Fe-6.5 wt.% Si合金固有的高裂纹敏感性，LPBF过程中的快速熔化和凝固会产生显著的热应力和局部应变，进而可能诱发裂纹和气孔等缺陷，从而损害材料的微观结构完整性和服役性能。为改善高硅钢的微观组织和性能，研究人员探索了多种微合金化策略。Cheng等发现Cu添加改善了6.5 wt.% Si钢的微观组织和磁性能。Cai等报道了稀土元素Ce的添加降低了Fe-6.9 wt.% Si合金的有序度并改善了其热变形行为。Liu等发现Y添加细化了无取向6.5 wt.% Si钢的晶粒并增强了热加工延展性。Zhao等证明稀土元素Y的添加细化了微观组织并降低了有序相分数，从而改善了高硅钢的力学性能。这些研究表明稀土元素在基体净化、微观组织调控和高硅钢综合性能改善方面发挥着有益作用。然而，需要指出的是，这些先前的研究主要是在常规铸造和热机械轧制条件下进行的。当过渡到LPBF的极端非平衡条件时，引入金属稀土元素（如纯Y或Ce）与引入陶瓷Y₂O₃颗粒之间存在本质差异。首先，在热力学稳定性和可加工性方面，金属稀土元素具有低蒸气压和极高的氧亲和力；在LPBF的强激光辐照（>2500 °C）和剧烈的Marangoni对流下，金属稀土极易发生选择性挥发、烧损和不可控的原位造渣，这使得成分控制困难并破坏熔池稳定性。其次，从冶金学角度，金属稀土元素溶解进入熔融Fe-Si基体，由于其在该基体中的固溶度极低，在凝固过程中倾向于沿晶界偏聚或析出为粗大的脆性稀土金属间化合物，可能加剧本就脆性的Fe-6.5 wt.% Si基体的沿晶开裂。第三，在调控机制方面，金属稀土主要通过熔体净化（脱氧/脱硫）和有序度的固溶改性发挥化学作用。与之形成鲜明对比的是，预合成的Y₂O₃是一种具有高熔点（约2410 °C）和高热力学稳定性的陶瓷氧化物。根据先前关于LPBF制备氧化物改性合金的研究，尽管高温激光辐照可能诱导纳米氧化物的部分熔化、粗化或局部界面反应，但引入的Y₂O₃倾向于以富Y-O第二相颗粒的形式存留或再析出，而非作为金属溶质完全溶解进入固溶体基体。因此，Y₂O₃改性预期主要通过颗粒-晶界相互作用发挥作用：它可以在LPBF快速凝固过程中调控柱状晶界迁移并协调局部应变集中，同时在后续高温退火过程中提供Zener钉扎压力以控制晶粒长大，而不对α-Fe(Si)固溶体基体产生化学污染。此外，虽然常规LPBF工艺窗口优化在改善脆性金属的致密度、抑制开裂和增强微观组织稳定性方面发挥着重要作用，但仅依靠激光参数调整往往不足以同时克服Fe-6.5 wt.% Si合金凝固过程中的外延粗大柱状晶生长和高温退火过程中的异常晶粒粗化。因此，将基线LPBF工艺与微量Y₂O₃颗粒改性相结合提供了一条有前景的互补途径。然而，迄今为止，关于微量Y₂O₃颗粒在Fe-6.5 wt.% Si合金的LPBF及后续退火过程中如何存留和演变，以及其分散状态（均匀性 versus 团聚）如何调控凝固裂纹抑制、退火晶界钉扎和最终软磁性能之间的权衡，仍存在明确的研究空白。因此，本研究通过低能机械混合制备Y₂O₃/Fe-6.5 wt.% Si复合粉末，并采用LPBF制造不同Y₂O₃添加水平的样品。本研究的主要目的和新颖性在于系统阐明微量Y₂O₃添加对LPBF致密化、凝固裂纹抑制、退火后晶粒/织构演变以及由此产生的DC/AC软磁性能的耦合影响，为高性能高硅钢的增材制造提供理论和实验参考。

高硅钢Fe-6.5 wt.% Si合金因具有高磁导率、低铁损和近零磁致伸缩等优异软磁性能，在高速电机、高频变压器和航空航天电磁设备等领域具有重要应用前景。然而，当Si含量接近6.5 wt.%时，冷却过程中易形成B2和D0₃有序相，导致室温脆性显著增加，严重限制了常规轧制和加工。激光粉末床熔融（LPBF）技术为复杂高硅钢部件的一体化制造提供了新途径，其高冷却速率可抑制有序相形成，但Fe-6.5 wt.% Si合金固有的高裂纹敏感性导致LPBF成形过程中易产生裂纹和气孔等缺陷。已有研究表明稀土元素微合金化可改善高硅钢的微观组织和性能，但上述研究主要基于常规铸造和热机械轧制条件。在LPBF极端非平衡条件下，金属稀土元素易挥发烧损且倾向于晶界偏聚形成粗大脆性金属间化合物，而预合成Y₂O₃具有高熔点和高热力学稳定性，预期主要通过颗粒-晶界相互作用发挥调控作用。目前关于微量Y₂O₃颗粒在Fe-6.5 wt.% Si合金LPBF及退火过程中的演变规律及其对裂纹抑制、晶界钉扎和软磁性能的调控机制尚不明确。基于此，研究人员通过低能机械混合制备Y₂O₃/Fe-6.5 wt.% Si复合粉末，采用LPBF制造不同Y₂O₃添加水平的样品，系统研究了微量Y₂O₃添加对致密化行为、凝固裂纹抑制、退火后晶粒与织构演变以及DC/AC软磁性能的耦合影响。研究结果表明，适量Y₂O₃添加（0.1 wt.%等效Y含量）使相对密度从98.64%提高至99.86%，裂纹长度密度从0.633 mm/mm²降低至0.465 mm/mm²，平均晶粒尺寸从89.24 μm细化至55.09 μm，平均KAM值从0.87°降低至0.76°。退火后，HT-1样品表现出与分散Y₂O₃相关颗粒的Zener钉扎效应一致的晶粒长大行为，平均KAM值降至0.64°。HT-R1环形样品表现出最优的综合软磁性能，矫顽力为43.06 A/m，饱和磁通密度为1.299 T，P_1.0/400从713.6 W/kg降低至545.7 W/kg。过量Y₂O₃添加（0.2和0.3 wt.%等效Y含量）导致颗粒团聚和热应力开裂，损害了微观结构完整性和软磁性能。本研究证明了微量Y₂O₃改性改善LPBF制备Fe-6.5 wt.% Si合金微观结构完整性和软磁性能的可行性，为增材制造高性能电磁部件提供了可行策略。

在技术方法方面，研究人员采用氮气雾化Fe-6.5 wt.% Si合金粉末（粒径15-53 μm，D₅₀=31.80 μm）与平均粒径约500 nm的Y₂O₃粉末为原料，通过低能行星式球磨（球料比3:1，转速150 rpm，时间2 h）制备不同Y₂O₃添加水平的复合粉末。采用BLT-S210工业金属增材制造系统进行LPBF成形，激光功率160 W、扫描速率800 mm/s、层厚30 μm、扫描间距0.1 mm，采用棋盘格扫描策略且相邻层扫描方向旋转67°。成形样品在1100 °C管式炉中退火1 h后空冷。采用阿基米德排水法测定相对密度，维氏显微硬度计测定硬度，光学显微镜（OM）统计裂纹密度，扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）表征微观组织和元素分布，电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒形貌、织构、晶粒取向差分布（GOS）和核平均取向差（KAM），软磁材料测试系统测定DC磁滞回线、矫顽力（H_c）、饱和磁通密度（B_s）和AC铁损（P_1.0/400）。

在研究结果方面，3.1节相对密度与维氏硬度：通过阿基米德法和维氏硬度测试得出，适量Y₂O₃添加（0.1 wt.%等效Y）使相对密度从98.64%提高至99.86%，硬度和显微组织保持稳定，过量添加则降低致密度。3.2节沉积态合金的微观组织演变：通过SEM/EDS和EBSD分析得出，适量Y₂O₃添加抑制了沿建造方向的凝固裂纹，细化了柱状晶横向尺寸（平均晶粒尺寸从89.24 μm降至55.09 μm），降低了晶粒取向差分布（GOS 3°-10°区域面积分数从52.9%降至32.3%）和平均KAM值（从0.87°降至0.76°），同时保持了强的<001>//ND织构；过量添加导致Y富集区、颗粒团聚和裂纹合并。3.3节1100 °C退火1 h后的微观组织演变与高温稳定性：通过SEM/EDS和EBSD分析得出，HT-0和HT-1样品均发生异常晶粒长大，HT-1的晶粒长大行为与分散Y₂O₃相关颗粒的Zener钉扎效应一致，其平均KAM值降至0.64°，与HT-0（0.63°）相当；过量Y₂O₃添加（0.2和0.3 wt.%等效Y）加剧了颗粒团聚和热应力开裂，残余KAM值较高（0.69°-0.76°），损害了退火样品的微观结构完整性。3.4节1100 °C退火1 h后环形样品的磁性能：通过软磁材料测试系统测定DC磁滞回线、矫顽力、饱和磁通密度和AC铁损得出，HT-R1样品表现出最优综合软磁性能，矫顽力为43.06 A/m，饱和磁通密度为1.299 T，P_1.0/400从713.6 W/kg降至545.7 W/kg；HT-R3虽显示最低AC铁损数值，但对应HT-3块体样品存在严重宏观裂纹，该低铁损值可能源于宏观裂纹网络中断涡流路径的几何假象，不能视为材料本征性能改善。

讨论部分总结：退火后HT-0和HT-1样品均发生显著晶粒长大和微观组织回复，异常晶粒长大在两者中均有发生。HT-1的晶粒长大行为与分散Y₂O₃相关颗粒对晶界迁移的Zener钉扎效应一致，Zener钉扎压力与颗粒体积分数正相关、与颗粒尺寸负相关（P_Z ∝ f/r）。HT-1的高GOS区域面积分数低于HT-0，平均KAM值降至0.64°，达到与HT-0（0.63°）相当的低局部晶格畸变水平。过量Y₂O₃添加导致Y富集、颗粒团聚（10-20 μm）和裂纹扩展，粗大Y-O富集团聚物与Fe-Si基体之间的热膨胀系数（CTE）失配可能在1100 °C退火冷却阶段产生局部应力集中，促进热应力裂纹萌生和扩展，导致空间非均匀的颗粒-晶界相互作用和缺陷介导的微观结构破坏。织构分析表明，Y₂O₃相关颗粒影响异常晶粒长大过程中的取向选择，使退火织构产生一定偏差。磁性能方面，HT-R1的低矫顽力主要归因于其良好的微观结构连续性和较低的晶内局部变形，裂纹、夹杂物和局部应力场作为磁畴壁运动的钉扎位点，更连续的基体和更低的局部变形有利于降低畴壁位移阻力；HT-R1较高的饱和磁通密度与0.1 wt.% Y成分较高的沉积态相对密度以及HT-1改善的微观结构连续性相关，裂纹和气孔等非磁性区域减小有效磁横截面积并产生局部退磁场。HT-R1的铁损降低归因于微观结构连续性改善、晶内局部变形减少和磁通路径连续性增强。研究结论翻译：本研究通过低能机械混合将微量Y₂O₃引入Fe-6.5 wt.% Si合金粉末，系统研究了Y₂O₃添加水平对LPBF建造质量、微观组织演变和退火态磁性能的影响。主要结论如下：（1）适量Y₂O₃添加改善了Fe-6.5 wt.% Si合金的LPBF建造质量。在0.1 wt.%等效Y含量下，沉积态样品相对密度从98.64%提高至99.86%，未观察到明显连续裂纹，维氏硬度保持在352-356 HV的窄范围内。当等效Y含量增至0.2和0.3 wt.%时，相对密度分别降至99.18%和99.15%，表明过量Y₂O₃添加不利于LPBF过程中的稳定致密化。（2）定量缺陷统计和EBSD结果表明，沉积态样品仍以沿建造方向生长的柱状晶为主，未发生明显的柱状晶-等轴晶转变。适量Y₂O₃添加（0.1 wt.% Y）使裂纹长度密度从0.633降至0.465 mm/mm²，AB-1的平均晶粒尺寸从AB-0的89.24 μm降至55.09 μm，GOS值3°-10°区域面积分数从52.9%降至32.3%，平均KAM值从0.87°降至0.76°。这些结果表明适量Y₂O₃添加抑制了凝固开裂、抑制了柱状晶横向粗化并缓解了局部晶格畸变，而过量添加则促进Y富集、颗粒团聚和裂纹合并。（3）在1100 °C退火1 h后，合金发生显著晶粒长大和微观组织回复，HT-0和HT-1均发生异常晶粒长大。HT-1的晶粒长大行为与分散Y₂O₃相关颗粒对晶界迁移的可能钉扎效应一致；同时其高GOS分数低于HT-0，平均KAM值从沉积态大幅降至0.64°，达到与HT-0（0.63°）相当的低局部晶格畸变水平。相比之下，过量Y₂O₃添加（0.2和0.3 wt.% Y）加剧了颗粒团聚和热应力开裂，留下较高的残余KAM值（0.69°-0.76°）并损害了退火样品的微观结构完整性。（4）HT-R1样品表现出最优的综合软磁性能，矫顽力为43.06 A/m，饱和磁通密度为1.299 T，P_1.0/400从HT-R0的713.6 W/kg降至545.7 W/kg。适量Y₂O₃添加通过改善微观结构连续性和减少晶内局部变形增强了软磁性能。尽管HT-R3表现出数值上较低的铁损，但对应HT-3块体样品观察到严重宏观裂纹和微观结构不连续，其低铁损值可能受涡流路径和有效磁化体积变化的影响，因此不能视为最佳综合磁性能的证据。