《Journal of Alloys and Compounds》：In situ nitrogen atmosphere strengthening and cracking control in highly textured FeCrAl alloys fabricated by laser powder bed fusion
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魏思远|索尔纳·维尔纳|刘光文|吴德尔文|李景俊|吴安德鲁|王培新加坡科技研究局（A*STAR）材料研究与工程研究所（IMRE），2 Fusionopolis Way, Innovis #08-03，新加坡138634，新加坡共和国摘要系统研究了氮气气氛在Fe10Cr4Al合金激
魏思远|索尔纳·维尔纳|刘光文|吴德尔文|李景俊|吴安德鲁|王培
新加坡科技研究局（A*STAR）材料研究与工程研究所（IMRE），2 Fusionopolis Way, Innovis #08-03，新加坡138634，新加坡共和国
摘要
系统研究了氮气气氛在Fe10Cr4Al合金激光粉末床熔融（LPBF）过程中的作用，重点关注氮气引起的强化和开裂机制。首先采用成分梯度方法确定了Fe10Cr中铝的最大添加量，约为4 wt.%。然后在氩气和氮气气氛下制备了预合金化的Fe10Cr4Al粉末。虽然在氩气气氛下可以轻松获得无裂纹样品，但在氮气气氛下即使经过大量参数优化仍会出现冷裂纹。结合微观结构表征和热力学计算表明，氮的吸收（约0.04 wt.%）促进了复杂的Al?O?–AlN核壳沉淀物的形成，这些沉淀物聚集在（亚）晶界处并导致晶间脆化。为了解决这个问题，通过添加FeB引入了80 ppm的硼。在氮气气氛下制备的含硼合金中没有观察到冷裂纹，证实了硼的晶界强化效果。拉伸测试显示，含硼合金的屈服强度和抗拉强度（分别为约537 MPa和557 MPa）高于在氩气气氛下制备的样品（分别为约459 MPa和499 MPa），但由于氮引起的沉淀作用，延展性降低了（约2%）。这些结果揭示了气氛和成分对LPBF合金的耦合效应，同时证明了微合金化是扩大FeCrAl合金在氮气气氛下加工性能窗口的有效途径。
引言
激光粉末床熔融（LPBF）是一种代表性的金属增材制造（AM）技术，能够逐层制造出接近净形状的组件，具有复杂的几何形状和定制的微观结构/性能[1]、[2]、[3]。由于这些优势，LPBF在航空航天、生物医学和汽车行业中的应用日益增多[4]、[5]、[6]、[7]，这突显了LPBF的技术重要性以及优化加工条件和合金设计以实现可靠性能的必要性。除了激光功率、扫描速度和 hatch间距等工艺参数外，构建室内的气体环境对熔池动态、热历史、化学成分以及最终打印部件的微观结构和性能也起着关键作用[8]、[9]、[10]。在各种气体中，氩气（Ar）通常被用作惰性和稳定的打印气氛。然而，最近的研究表明，能够与液态熔池反应的气体（如甲烷（CH?）、氨（NH?）和氮气（N?）正在被越来越多地研究，以改变合金的微观结构和机械性能，因为这些气体可以作为间隙溶质或沉淀物[11]、[12]。
与CH?和NH?不同，后者存在安全隐患并会引起复杂的分解行为，氮气具有简单的成分、低成本，并且在商业LPBF系统中已有广泛应用。先前的研究表明，氮气可以通过固溶强化提高奥氏体（X40MnCrMoN19-18-1）和双相不锈钢（Cr15Mo2VN0.6）的硬度和强度[13]、[14]。在钛合金中，氮气还可以通过改变凝固动态和稳定某些相来促进晶粒细化并影响织构演变[15]。在含铬系统中，氮气在凝固或凝固后冷却过程中倾向于形成氮化物（如Cr?N和CrN），进一步促进沉淀强化[16]、[17]。然而，过量的氮化物形成会使合金变脆或增加残余应力开裂的风险，尤其是在延展性有限的系统中[18]。此外，氩气和氮气气氛之间的热导率、气体密度和比热差异会导致熔池动态和热梯度的变化，从而进一步影响微观结构的发展[19]。
在合金设计中，有意向Fe–Cr合金中添加铝以提高其在高温下的抗氧化和抗腐蚀性能，因为铝可以促进保护性Al?O?层的形成[20]、[21]。然而，在钢的主要元素中，包括Ni、Mn、Cr、Al、Co和Mo，Cr和Al与氮的亲和力特别强，因此容易形成Cr?N和AlN沉淀物[13]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。在LPBF过程中，这可能导致形成复杂的氧化物和氮化物夹杂物，从而影响机械性能和开裂行为。虽然Fe–Cr–Al合金是具有抗氧化和辐射稳定性的应用的有希望的候选材料，但它们在氮气气氛下的可打印性和开裂敏感性仍不清楚。迄今为止，大多数LPBF研究都集中在惰性氩气环境中，对于快速凝固过程中氮-铝相互作用的研究还不够充分。此外，氮的吸收对LPBF FeCrAl合金抗氧化性能的潜在影响[27]、[28]也非常值得关注，需要进一步研究。
受这些发现和挑战的启发，本研究探讨了将铝引入Fe–10Cr合金中的可能性，由于其形成热力学稳定氧化物的潜力以及影响相稳定性，这种合金适用于高温结构应用。首先制备了一种梯度合金，以确定裂纹阈值并找到无裂纹的成分，发现该成分约为4 wt.%的铝。随后在氩气和氮气气氛下分别打印了这种合金，以评估气氛对含铝系统的影响。最后，为了进一步提高可打印性和减少开裂，引入了ppm级别的硼，利用其已知的晶界强化和凝固控制作用。通过广泛的热力学计算和实验验证，我们旨在深入了解气氛-成分相互作用如何控制增材制造钢的开裂行为和相演变。
章节摘录
方法论
制备了三组样品：（1）在氩气气氛下使用混合FeCr、Fe和Al粉末制备的成分梯度Fe10Cr-xAl；（2）在氩气和氮气气氛下制备的预合金化Fe10Cr4Al；（3）在氮气气氛下与0.05 wt.% FeB粉末混合的预合金化Fe10Cr4Al。
梯度Fe10Cr-xAl合金
为了研究铝含量对微观结构和可打印性的影响，沿成分梯度方向（GD）提取了Fe10Cr-xAl合金的样品。图1(a)展示了六个不同铝含量（1.2–8.9 wt.%）的横截面的代表性光学显微镜（OM）图像。所有样品的孔隙率均低于0.5%。铝含量较低的样品（1.2–4.1 wt.%）没有裂纹，而铝含量较高的样品则出现了水平裂纹。
总结
在氩气和氮气气氛下使用LPBF制备了Fe10Cr4Al合金，以了解工艺气体对可打印性、微观结构和机械性能的影响。成分梯度策略首先确定4 wt.%的铝是Fe10Cr中最大无裂纹添加量。研究发现氮气既能强化合金又能使其变脆，导致与晶间沉淀物相关的冷裂纹。添加ppm级别的硼抑制了裂纹的发生。
CRediT作者贡献声明
王培：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。吴安德鲁：监督，概念构思。李景俊：验证，研究。吴德尔文：验证，研究。刘光文：验证，研究。索尔纳·维尔纳：验证，研究。魏思远：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，概念构思。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在本文的初步准备阶段，部分作者使用ChatGPT 5.0版本进行了英文校正和表达。使用该工具/服务后，所有作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢新加坡科技研究局（A*STAR）通过“用于航空航天应用的原位铝基复合材料的增材制造”（项目编号M24N8c0106）、“高性能电动牵引模块的开发”（HiPe E-TraM，项目编号M22K4a0044）和“智能结构的4D增材制造（4DAM）- WP3”（项目编号M24N3b0028）提供的资金支持。
