In-situ synthesis of oxides by reactive process atmospheres during L-PBF of stainless steel

材料科学 氧化物 氧气 碳纤维 原位 冶金 化学工程 分析化学(期刊) 复合材料 复合数 有机化学 化学 原子物理学 气象学 工程类 物理 色谱法
作者
Michael Haines,Nicolas J. Peter,S. S. Babu,Eric Aimé Jägle
出处
期刊:Additive manufacturing [Elsevier BV]
卷期号:33: 101178-101178 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.addma.2020.101178
摘要

Traditionally, reactive gases such as oxygen (O2) and carbon dioxide (CO2) have been avoided during laser powder bed fusion (L-PBF) of metals and alloys based on the notion that it may lead to defect formation and poor properties. Here we show that instead, these gases can be used to form sub-μm-sized oxide particles in-situ during the L-PBF process in an Fe-Cr-Al-Ti stainless steel and lead to improved room temperature and high-temperature mechanical properties. We manufactured cube samples using pure Ar and various reactive gas atmospheres, namely an O2/Argon (Ar) mixture containing 0.2 % O2 and CO2/Ar mixtures containing up to 100 % CO2. Co-axial measurements of infrared radiation emitted from the melt pool showed correlation to the presence of O2 or CO2 in the gas mixture. Builds produced under CO2-containing atmosphere contained complex oxides with an average diameter of ∼40 nm, an Al-rich core and a Ti-rich shell. Due to the high cooling rates typical to L-PBF, agglomeration of oxides and slag formation on the surface of the samples could almost be entirely avoided. Compression tests at temperatures up to 800 °C showed that the samples produced in 100 % CO2 have about 20 % higher yield stress compared to samples produced in Ar. The paper concludes with a discussion of the formation mechanism of the observed oxides. Our results show that in-situ reactions during additive manufacturing processes are a promising pathway to the synthesis of particle-reinforced alloys.
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