核用铁铬铝（FeCrAl）合金增材制造技术：综述

来源：长三角G60激光联盟

美国北德克萨斯大学材料科学与工程系及敏捷与自适应增材制造中心的科研人员综述了用于核应用的铁铬铝合金增材制造技术的研究。相关论文以“Additive manufacturing of FeCrAl alloys for nuclear applications - A focused review”为题发表在《Nuclear Materials and Energy》上。

重点：
1.介绍与铁铬铝（FeCrAl）合金增材制造（AM）相关的挑战和优势。
2.总结了AM制造的铁铬铝合金的显微组织和相变。
3.综述了AM制备的铁铬铝合金的力学性能和抗氧化性能。
4.讨论了AM制备的铁铬铝合金的辐照响应的发展前景。

铁铬铝合金（FeCrAl）具有优异的高温抗氧化性和机械强度，使其成为各种工程领域（尤其是核领域）具有广泛适用性的前沿材料。除了其独特的性能外，由于通过多功能增材制造技术进行制造的巨大潜力，它们很可能继续在这些应用中占据重要地位。鉴于此，本综述文章对近期研究进行了详尽考察，全面概述了铁铬铝合金增材制造方面取得的进展。文章深入分析了聚变制造过程中遇到的挑战，详细研究了其微观结构特征，评估了其力学和氧化性能，并探讨了其在辐照相关应用中的潜在用途。近期关于AM的铁铬铝合金性能的一些研究成果增强了AM用于制造这些具有挑战性的材料的信心。例如，激光焊接的铁铬铝合金在560°C的温度下辐照高达1.9 dpa，合金力学性能没有下降，并表现出与锻造合金相当的力学性能。
关键词：铁铬铝合金；增材制造；聚变制造的挑战；高温抗氧化性

图1.(a)L-PBF；(b)L-DED的示意图。

图2.激光、液态熔池和气体相互作用过程中熔池吸氧和除氧的路径示意图。

图3.金属凝固形态示意图(a)柱状生长的树状晶粒因凝固收缩而出现裂纹；(b)纳米颗粒的加入促进了等轴晶粒的生长，从而适应了凝固应变。

图4.铝和铬浓度主要问题的铁铬铝合金成分设计图。

图5.304L不锈钢的EBSD图显示：（a）未添加钇的柱状晶粒；（b）添加5wt%钇的等轴晶粒。

图6.(a)STEM图像显示粗附属氧化物颗粒及其相应的EDS图；(b)粗附属氧化物的SAD图；(c)和(d)显示模拟衍射点，突出显示沿[-4 1 0]方向的Y4Zr3O12氧化物和沿[-4 1 0]方向的Al2O3氧化物。

图7.经AM处理的FeCrAlY-0 wt.%TiC的TEM分析。(a)-(c)颗粒和相应的EDS分析;(d)核壳粒子形成过程示意图。

图8.基于多物理场的L-PBF和DED过程计算分析。(a)-(d)熔池凝固的有限元模拟，显示凝固温度（Tsol）和凝固速率（Vsol）的差异。

图9.平行（a）和垂直（b）于成型方向的L-PBF打印试样的电子背散射衍射（EBSD）扫描图及其纹理图。

图10.(a)横向打印的316L样品和(b, c)重新扫描后的316L样品沿成型方向(BD)的EBSD 逆极图和纹理图，(b)代表重新扫描方向(RD)的样品，(c)代表扫描方向(SD)的样品。

图11.L-DED制作的铁铬铝样品的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF STEM）显微图，显示向外和向内生长的氧化物。

已发表的有关铁铬铝合金AM的研究，为了解这种生产工艺的前景和障碍及其微观结构属性提供了深入的见解。在某些研究中，研究结果的差异是显而易见的，尤其是在基于激光的 AM技术中纳米氧化物的形成方面。总的来说，通过集体分析，科研人员得出后续的观察结果和推论。公开文献中关于通过AM路线制造铁铬铝材料及其辐照响应的研究有限，这表明在基于AM制造这些材料的制造科学方面存在大量深入研究的机会，来有效提高核应用中的性能。可以从以下几个关键方面进行探索。

1.基于铁铬铝的AM技术处于起步阶段。大多数研究在该系统中采用了L-PBF和L-DED技术。目前的文献表明，基于电子的增材制造技术在该系统中的应用还没有达到同样的程度。

2.通过AM制造的铁铬铝的特性和性能在很大程度上取决于工艺参数，如激光功率、扫描策略以及打印过程中的腔室气氛。特别是观察到腔室气氛在形成原位氧化物方面起着重要作用，而原位氧化物会影响制造部件的力学性能和抗辐照性能。

3.一些研究表明，与传统制造的部件相比，AM制造的部件具有更好的抗氧化性能，这主要是由于在AM部件中形成了有利的氧化层。

4.虽然目前还没有关于AM制造的铁铬铝部件抗辐照性能的直接研究，但基于激光的焊接研究表明，在中子辐照下，AM制造的铁铬铝部件具有良好的辐照响应，这表明AM加工的铁铬铝部件的辐照性能有望得到改善。

以上列举的是文献中的可用信息，但在铁铬铝AM这一相对较新的领域中，还存在很大的差距，概述如下。

1.有限的铁铬铝合金AM研究主要集中在适合核应用的成分窗口之外的合金上，并指出AM 制造的铁铬铝合金具有高度的各向异性；需要谨慎的成分控制；以及需要物理驱动的工艺优化。

2.计算-实验方法有助于从根本上了解基于激光的AM制造的FeCrAl-ODS合金的加工-结构-性能关系，也为以较低成本制造性能更强、无裂纹和气孔等缺陷的核反应堆部件铺平了道路。

3.需要对AM铁铬铝合金在不同环境下的高温抗氧化性进行深入探讨，以便更好地了解其潜在机理，而有关AM铁铬铝合金在其他环境下抗氧化性的文献资料非常稀少。

4.需要探索AM技术中原位氧化的优势，实现氧化物纳米颗粒在整个基体中的均匀分散。

5.在对AM制造的铁铬铝合金进行辐照研究方面存在较大研究空白，需要探索AM制造的铁铬铝合金在核反应堆部件中的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101702