江蘇鐳射聯盟導讀：據《Acta Materialia》報道，來自德國的研究人員，利用SLM和DED兩種鐳射增材製造技術，對採用介電泳控制吸附0.08wt%的激光合成的奈米Y2O3顆粒的Fe-Cr鐵素體粉末進行了增材製造。並進行了顯微組織和效能分析以及開展了數值模擬。鐳射增材的ODS鋼在 600 °C的壓縮強度，同沒有新增Y2O2奈米顆粒的DED和SLM製造的ODＳ合金相比較，分別增加了21%和29%。

論文的Graphical asbstracts

氧化物彌散強化鋼（Oxide dispersion strengthened (ODS) ）由於在高溫下或在具有暴露的輻射的環境下具有較高的機械效能而聞名。其顯微組織取決於製造工藝，從奈米顆粒的新增到鋼鐵基體的粉末，到富集奈米顆粒的粉末的加工等，都會影響到其顯微組織。最佳化工藝過程和控制工藝過程來建立一個清晰的原則，對增材製造ODS鋼來說，仍然面臨著挑戰。在這裡，來自德國的杜伊斯堡-埃森大學的研究人員及其合作者，對採用介電泳控制吸附（ dielectrophoretic controlled adsorption）0.08wt%的激光合成的Y2O3的Fe-Cr鐵素體粉末（PM2000）進行了增材製造，研究了其顯微組織，奈米顆粒的演變和機械效能。ODS鋼的製造技術的影響透過兩種標準的增材製造技術進行了研究，即鐳射直接沉積（DED）和鐳射粉末床選擇性熔化（SLM）。ODS鋼在 600 °C的壓縮強度，同沒有新增Y2O2奈米顆粒的DED和SLM製造的ODＳ合金相比較，分別增加了21%和29%。馬氏體硬度，對SLM製造的ODS合金來說增加了９％，而DED製造的ODS合金則幾乎沒有變化。採用EBSD，SEM和ＥＤＳ以及APT等分析測試技術對製造的ODS合金的顯微組織，奈米顆粒的成分和分佈進行了評估，DED和SLM製造的ODS合金的結果還進行了對比。SLM製造的ODS合金中所具有的細小的晶粒尺寸和更加均勻分佈的較低密度的團聚的Y-O奈米顆粒是在 600 °C機械效能得到提高的原因。SLM製造的ODS合金機械效能的提高和更加均勻的奈米顆粒的分散透過模擬來進行解釋，在SLM製造時，其熔池的冷卻速率比DED的冷卻速率要快兩倍數量級。

因此，這一工作所展現了和證實了完全採用鐳射技術來製造ODS的準備和製造過程，為改善製造部件的顯微組織和提高高溫強度提供了借鑑。

製造具有複雜形狀的且具有定製特定３D結構和提高諸如高溫強度，離子或中子輻射環境和抗氧化能力的部件的製造對在特殊場合的高溫應用環境是至關重要的，如熱汽輪機或爐子中使用的材料，或者發展核反應堆所使用的材料。增材製造技術自問世以來，就一直作為一種理想的定製形狀和效能的先進工藝而受到大家的青睞。尤其是，粉末為基礎的鐳射增材製造技術可以允許製造複雜幾何型形狀的部件而得到了迅速的發展，已經在製造支架，假體等醫療上得到了應用。以鐳射為基礎的鐳射增材製造有兩種，一種是SLM，一種是DED。在DED工藝中，粉末直接輸送到熔池中，而SLM技術則是在粉末層層鋪設之後，鐳射對每一層事先鋪設好的粉末進行掃描熔化。所以，以鋪粉的過程來說，SLM和DED因為SLM需要單獨鋪粉，而DED是鐳射和送粉同時進行的，所以DED的效率要高於SLM。或者說SLM可以比較容易的來製造處更加複雜形狀的製品。但SLM和DED在工作原理上是一致的，即均包包括空間控制鐳射來輻射熔化粉末和形成熔池。結果，對這兩種工藝製造的製品進行在顯微組織，機械效能方面進行對比，就成為針對特定應用背景進行最佳化選擇，就成為一個感興趣的話題。

圖1碎裂的辦法制造商業用奈米Y2O3顆粒的通道反應器設定的示意圖（ａ）和晶粒５次輻射迴圈後的Y2O3奈米顆粒的TEM照片（ｂ）

圖解：其中鐳射束和顆粒的相互作用促進他們的碎裂和／或碎裂，均勻化和減少奈米顆粒分佈的。插入的圖片顯示的測量得到的尺寸分佈。

DED和SLM技術是靈活多變的技術，可以允許加工多種不同的材料，包括混合奈米顆粒的鋼鐵材料。將奈米顆粒新增到鋼鐵材料中是一種常規工藝來對最終的產品產生強化，基於如下幾個機理:

(i) 原子的夾雜物在合金基體中（固溶強化），這一機理共格和溶解的奈米顆粒在金屬基材中高度相關。

(ii) 晶粒細化，此時表示的奈米顆粒在加工後影響鋼鐵的凝固，導致晶粒尺寸變小。

(iii) 由於冷變形（加工硬化）造成大量位錯的引入，可以透過奈米顆粒作為位錯源而得到加強。

(iv) 奈米顆粒的存在，同鋼鐵基材不共格時，可以作為彌散相。

尤其是，有氧化物奈米顆粒作支撐的粉末的加工造成了一類特殊鋼的存在，即氧化物彌散強化鋼（ oxide dispersion strengthened (ODS) steels）。同傳統的鋼基體中新增彌散強化相相關的是，可以強化材料，Y-相為基體的氧化物是最為常用的用作奈米材料的強化相，這是因為它在鋼鐵中的溶解度低，其晶格錯配度有利於彌散效應的形成，阻礙了位錯的發展。

圖２ Y2O3奈米顆粒修飾的鋼鐵粉末進行鐳射增材製造的示意圖

圖解：a) 鐳射能量直接沉積技術，DED（Directed energy deposition）；b) 鐳射粉末床選擇性熔化技術，SLM（laser powder bed fusion）。

對於微米級別的鋼鐵粉末進行混合Y2O3 時，最常見的辦法是機械合金化。然而，在球磨的過程中，控制奈米尺寸不超過限制和防止粉末被汙染，到目前為止尚不能被很好的解決。因此，基於激光合成奈米顆粒和介電泳控制吸附（dielectrophoresis-controlled adsorption）技術被提出來，由於在整個過程中奈米顆粒的尺寸可以很好的得到控制和監控，這是一種基本的用來分離和研究製造技術對最終奈米顆粒尺寸和分佈的影響的技術。這一技術代表了一個革新的過程和被證明是一種可行的用於增材製造的合成氧化物彌散強化鋼的辦法。採用鐳射碎裂的辦法在液體中生成奈米顆粒得益於激光合成技術固有的先進性，使得加工大範圍的材料和獲得浪費少和雜質少的過程得到了保障。這些特徵高度的同生成個性化的增材製造的粉末密切相關。基於此，評估不同的奈米顆粒對生成增材製造技術所需要的粉末進行評估是非常必要的，以及對於製造產品的影響進行評估也是非常必要的。此外，這一技術經濟上可行，而且奈米顆粒的產出還高，這些都是工業應用中增材製造所需要的公斤級別的粉末供給是非常令人滿意的。

圖３ DED和SLM製造的沉積態的壓縮應力σc和這兩種鐳射工藝加工奈米顆粒修飾的鋼在不同溫度下得到的壓縮應變

利用奈米顆粒增強活性的鋼鐵粉末的製造技術可以允許對初始的奈米顆粒的控制得到加強。此外，奈米夾雜物在製造產品種的尺寸分佈和成分不僅依靠初始的奈米顆粒，同時還取決於加工過程種的改性過程（如富集，團聚和分解等）。因此，非常有必要來評估不同增材製造技術對最終奈米顆粒的分佈和成分的影響，因為這將影響ODS鋼的效能。為了實現這一目標，在當前的工作中，增材製造產品的顯微組織和以及奈米顆粒的存在形式和分佈進行了評估，並採用TEM和SEM，EDS，EBSD以及ATP等對採用不同工藝步驟製造的產品進行了評估。

結果，我們的研究結果以DED和SLM製造的產品進行對比，這同每一技術對最終制造產品的效能的影響密切相關。實際上，如同DED和SLM技術是加工鋼鐵粉末的常規工藝一樣，其結果將會對應用該技術來最佳化最終產品來獲得理想的產品也可以起到指導作用。此外，在ODS鋼製造過程中對顯微組織和奈米顆粒演變的詳細評估是理解每一個步驟中Y2O3奈米顆粒的作用是非常基本的要求。這些結果同獲得新穎的奈米顆粒的加成途徑的研究是高度相關的，基於鐳射碎裂（去團聚）的 Y2O3 奈米顆粒和介電泳沉積（dielectrophoretic deposition）鋼鐵粉末，它提供了一個完全全新的視角，包括增材製造技術的影響。控制工藝對工業上應用這一新穎的技術，來證明得到令人滿意的高溫強化的ODS鋼，同加工粉末包含非鐳射碎裂的 Y2O3奈米顆粒的效能相當。

圖４ 鐳射增材製造樣品的橫截面（平行於製造方向）的疊加影象質量（波段對比度）的反極圖

圖解：a) DED製造的原始鋼l, c) DED製造的 ODS鋼, e) LPBF製造的原始鋼, g) LPBF製造的 ODS鋼;長度方向的結果（沿著垂直於製造方向） : b) DED 製造的原始粉末, d) DED 製造的ODS鋼, f) LPBF 製造的原始鋼, h) LPBF製造的 ODS鋼. 所有的顏色的程式碼均指樣品的製造方向　

圖５ 原子探針層析技術（Atom Probe Tomography, APT）結果

圖解：a-b) DED 製造的 ODS 鋼；c-d) LPBF 製造的 ODS 鋼steel。左側顯示的是不同顯微組織特徵使用等成分面加強後得到的重構體。重構圖中的棕色表面對DED樣品來說是高亮度的碳化物。紅色的表面在SLM樣品中的重構是高亮的富集Y-的顆粒，綠色的表面為高亮的位錯，也許會形成小角度晶界。位錯均富集Ti和C。右側的圖片顯示的化學成分隨著等成分面的距離而得到的結果。

取得的主要成果

在這一工作中，透過對ODS鋼採用兩種不同的鐳射增材製造技術，即SLM和DED得到的結果進行了比較研究。ODS鋼的原始粉末採用奈米加成的PM2000微米級別的粉末，包含0.08%的鐳射生成的 Y2O3奈米顆粒和介電泳控制的表面吸附（dielectrophoretic-controlled surface adsorption）。兩種工藝技術的影響和新增奈米 Y2O3顆粒的影響透過在室溫下和 600 ° C下的壓縮實驗進行了對比研究，採用SEM技術對其晶粒尺寸大小和分佈，SEM-EDS技術對其顆粒，APT技術對其單個的奈米顆粒的成分進行了測量。這些測量技術使得我們可以觀察到SLM技術導致晶粒尺寸比DED的要小，奈米夾雜物呈現出更加均勻的分佈且具有較低的團聚（SLM樣品中的情形）。FEM模擬DED和SLM的熔池揭示出凝固速率在SLM中可以比DED高出至少一個數量級。SLM中的高的溫度梯度額外的導致了冷卻速率比DED要高出兩個數量級。兩者的觀察結果均發現有利於奈米顆粒的均勻分散和SLM工藝中奈米顆粒的團聚減少。這些特徵是DED製造的ODS合金在600 °C呈現出顯著的強化效應的原因，尤其是SLM的樣品，更是如此。研究結果顯示，製造工藝技術和可控的奈米顆粒的沉積路線高度的影響這些鋼鐵樣品的機械效能。對SLM製造的ODＳ鋼，在600°C時其壓縮強度提高了~30%，這是同沒有奈米加成的SLM製造的產品相比較的結果。研究結果證實了新增激光合成的奈米顆粒到鋼鐵粉末中來利用SLM技術來製造ODS鋼是一種行之有效的改善製造產品的顯微結構和提高機械效能的辦法。

圖６　採用FEM進行模擬得到的結果

圖解：SLM技術進行製造時，採用FEM模擬得到的熔池 (a, c) 和採用DED技術進行製造時利用模擬技術得到的熔池(b, d). 鐳射束移動的方向時掃描方向（scanning direction (SD)），溫度分別為 LPBF (a) 和 DED (b)凝固速率則繪製成橫截面（cross-section in transverse (TD) ）和熔化時形成的熔池的製造方向。　 Tsol 和 vsol 分別表示固相溫度和凝固速率。氧化物奈米顆粒的影響可以忽略，這是因為它的體積含量很少。

文章來源：Microstructure formation and mechanical properties of ODS steels built by laser additive manufacturing of nanoparticle coated iron-chromium powders,Acta Materialia,Volume 206, March 2021, 116632,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116632