LPBFパラメータによるODS FeCrAl鋼中の酸化物介在物の制御

LPBFパラメータによるODS FeCrAl鋼中の酸化物介在物の制御

入熱はメルトプールの形状および酸化物包有物の含有量と相関している。我々の研究者は、Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26YおよびTiO₂粉末混合物からY-Al-O酸化物介在物を含まないODS-FeCrAl鋼を製造するために、レーザー粉末床溶融パラメータを修正した。この研究は、PBFプロセス中に合金から酸化物介在物をin-situで除去するための実行可能な方法を提供する。.

合金中の酸化物系介在物は部品の疲労寿命を低下させ、海水環境では優先腐食部位となる可能性がある。.

PBFプロセスでFeCrAl ODS鋼を調製すると、YとAlのOに対する親和性が高いため、Y-Al-O酸化物系介在物が生成する。Yを含む酸化物系介在物の存在は、酸化物分散強化型鋼の積層造形における一般的な問題である。.

本研究では、Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26Y（wt.%）のプレアロイ粉末に、酸素キャリアとして0.5wt% TiO₂（50nm、純度99.99%）粉末を混合したものを使用した。70×10×15mm³（長さ×幅×高さ）の試料を、レーザー粉末床融合（LPBF）システムを用いて作製した。加工パラメーターは、レーザー出力P = 300 W、走査速度v = 834 mm/sから1318 mm/s、スポット間隔h = 110 μm、層厚t = 30 μmであった。連続する層間で90°回転する双方向走査戦略を採用した。印刷前に、軟鋼基板を150℃に予熱した。.

溶融プールへの入熱が増加する（すなわち、走査速度が低下する）と、溶融プールの断面積が増加し、隣接する溶融プール間の再溶融が改善される。この再溶解の促進により、以前に凝固したゾーンから現在のメルトプールへのエピタキシャル結晶粒成長が促進され、結晶粒が粗大化する。メルトプールの形状（深さと幅）を光学測定システムを用いて定量的に評価した。その結果、入熱量の増加とともにメルトプールの深さと幅が増加することがわかった。入熱量が109 J/mm³まで増加した場合、1つの析出層は印刷プロセス中に6回の再溶融サイクルを受けた。.

さらに微細構造解析を進めた結果、入熱を増加させることで試験片からY-Al-O系酸化物介在物が効果的に除去されることが判明した。109J/mm³の入熱量では、Y-Al-O酸化物系介在物はマトリックス中でほとんど見えなくなった（0.1%未満）。.

しかし、投入熱量の増加は、結晶粒の粗大化につながる。平均粒径は72μmから179μmに増大する。さらに、ナノ沈殿物のサイズも熱入力の増加とともに増加し、35 nmから49 nmになる。ナノ析出物はコアシェル構造を持ち、Y₂O₃/TiNと同定された。.

室温引張試験の結果、ミクロ組織の粗大化にもかかわらず、入熱増加後の降伏強度は37MPaしか低下せず、破壊モードは延性であった。降伏強度は主に格子摩擦応力、固溶強化、粒界強化、析出強化、転位強化に起因する。これらの強化メカニズムの中で、転位強化がODS-FeCrAl鋼の降伏強度の寄与を支配している。