金屬粉末是金屬原材料的一個新分支，通過粉末冶金 (PM)、噴涂沉積和新興的增材制造 (AM) 已廣泛應用于結構應用。
快速熔化的金屬粉末具有優異的物理均勻性，空氣/水霧化工藝指出了其相對于傳統本體霧化工藝的優勢。 在具有高氧親和力的金屬和合金粉末的生產、處理和加工過程中，由于其高比表面積暴露于環境大氣中，表面氧化是不可避免的。
鋼粉作為生產金屬粉末的主要材料，由于其在碳化鐵中的氧溶解度較低，一般會以氧化物的形式出現表面氧化，而生成的氧化物的物理性能主要取決于金屬及合金中的吸氧元素。
人們廣泛研究了通過不同霧化方法制備的各類鋼粉末的表面氧化物，包括它們對粉末冶金部件的壓實、燒結和后處理的影響。
表面氧化層通過減少元素擴散來增加相鄰顆粒的頭部生長動力學，從而導致燒成溫度降低或加工時間增加，這兩者都不利于PM工藝中的材料氧化控制。
粉末材料中過量的氧化物極大地影響粉末冶金制造的鋼構件的機械性能。 基于粉末熔體的增材制造工藝拓寬了金屬粉末的應用范圍，從固態焙燒到熔融。
隨著增材制造市場的快速衰退，長期以來，研究都將粉末與增材制造工藝的相容性納入其中，以便使成品零件獲得更好的性能，例如粉末流動性、球形度和堆積密度。
增材制造行業非常需要適合快速熔化的粉末材料，因為這是增材制造進入結構件主流業務的先決條件。
雖然現有的努力有助于了解粉末熔體增材制造工藝中材料的演變，但粉末特性的影響尚未得到充分探索。
了解粉末質量與所制造零件的特性（例如粉末材料上的表面氧化物）之間的關系至關重要。
與粉末冶金工藝不同熔化和凝固的概念，增材制造在鋼粉末上的應用一直具有挑戰性，因為根據工藝設計的性質，粉末床中的原料粉末并未完全轉變為目標零件的當前幾何形狀。
通過重復使用粉末床中的粉末，大多數材料可以經歷加工環境的多次循環。 晶界元素Fe和合金元素Cr、Mn、Si均具有較高的氧親和力，在常規增材制造加工條件下會引起廣泛的氧化。
在之前對 Fe-Cr-Ni 碳鋼粉末的研究中，收集了激光粉末床熔化 (L-PBF) 工藝中的濺射粉末，以進行物理和形態表征。
作為強氧化物生成劑，在收集的粉末中觀察到了 Si、Mn 和 Cr 氧化物，盡管對 18Ni-300 馬氏體時效鋼內部納米氧化物的研究表明，納米氧化物夾雜物在激光偏析過程中具有良好的強化前景，但這些氧化物的來源仍未確定，可能來自 PBF 或 PBF 過程中的表面氧化。
相比之下，氧化物對增材制造零件機械性能的影響已被廣泛報道。 含有氧化物污染的回收 316L 碳鋼粉末對成品零件性能和 L-PBF 過程中的分層過程產生影響。 由于起始粉末上的大部分表面氧化層具有高氧濃度，拉伸性能嚴重下降。 盡管粉末的平均物理成分符合規格，但粉末污染對制造的 18Ni-300 馬氏體時效鋼零件的疲勞性能產生了降低的影響。
使用同步加速器 X 射線成像和衍射模態在 L-PBF 模擬器中實現 Fe-36Ni 合金的激光-粉末相互作用。
熔化軌跡中形成的孔隙率歸因于粉末原材料中的高氧濃度，并且通過基于粉末熔體的增材制造工藝制造的零件的性能高度依賴于粉末原材料中的氧化物濃度。
關于表面氧化物對鋼粉熔化和熔化的影響的信息一直缺乏。
清楚地了解這種現象將有助于深入了解粉末材料的熔化和熔化。 在當前的研究中，我們的目標是通過將實驗觀察與先進的表征技術、熱力學估計、柱狀到等軸轉變（CET）解剖相結合，了解表面氧化物對鋼粉熔化和熔化行為的影響以及相應的熔化微觀結構和相場模擬。
為了實現這一目標，借助低溫共焦激光掃描顯微鏡（HT-CLSM）對粉末熔化和熔化過程進行了原位觀察。
不同氧濃度316L粉末的實驗設計
通過觀察惰性二氧化碳霧化生產的316L原粉、粒度分布及數分數定義的粒度，可知原粉的物理成分（重量百分比）為Cr15.77、Ni10.22、Mo2.12、Mn1.26、Si0.63、C0.0147、S0.0142、P0.038、O0.0355，余量為Fe。
通過電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）測定金屬元素的物理成分，并通過燃燒分析獲得碳、硫和磷的濃度。 氧氣濃度通過惰性二氧化碳熔體測定。
為了了解表面氧化物對粉末熔化和熔化行為的影響，分別選擇了三種類型的粉末來呈現不同含量的粉末表面氧化物。
將收到的新鮮粉末作為低氧粉末，對同批次的316L粉末進行L-PBF工藝的多次循環，直至物理成分不再滿足制造規范（氧濃度）。
該被拒絕的粉末被收集為具有中等氧濃度的316L粉末。 為了研究文獻報道的極端條件，將收到的新鮮316L粉末在800℃的氣氛控制爐中以0.1L/min的氣流進行人工氧化20分鐘，并將該氧化粉末用作高氧粉末。
為了簡單起見，下面將收到的新鮮316L碳鋼粉末稱為低表面富氧化物粉末和從L-PBF工藝收集的粉末，并將人工氧化粉末稱為低表面富氧化物粉末，以中和高表面氧化物濃度。
316L粉末熔化及熔融現象的現場觀察
由于激光-粉末相互作用的加熱和冷卻速率較高，在增材制造過程中捕獲熔化特性提出了艱巨的挑戰。
高時間幀率同步加速器 X 射線設施提供了在 PB-SLM 期間原位觀察孔隙生成的機會，需要具有更高形態對比度的表征，以捕獲氧化物存在下液/液相變的信息。
激光/電子束局部粉末熔化是一種復雜的數學現象，涉及熱誘導固-氣相變、激光/電子束誘導局部電離。
為了研究表面氧化物對粉末材料熔化和熔化的影響，實驗設計必須過濾掉其他變量并保持熱輸入。
利用低溫共焦激光掃描顯微鏡（HT-CLSM）原位觀察了不同氧化物含量的316L粉末的熔化和熔化行為。
該顯微鏡由兩個子系統組成：環境爐和光學采集單元。 該環保爐可提供高達1700°C的最高空氣溫度，加熱和冷卻速率分別高達20和100 K/s（氦氣強制冷卻）。 這是通過紅外輻射加熱來實現的，這有助于防止高能束的局部電離。
該爐兼容惰性二氧化碳（Ar、N2）、還原性二氧化碳（H2、CH4）、氧化性二氧化碳（CO2、空氣、O2、H2O）和真空，以模擬低溫。
一系列環境條件下氣-液-固反應的溫度行為。 光學采集單元由波長為405nm白色激光源的激光發生器、光學聚焦控制系統和CCD單鏡反光鏡組成，用于通過石英窗對環境爐中的樣品行為進行成像。
粉末和固化液滴的表征
采用掃描電子顯微鏡（SEM，）和雙束聚焦離子束（FIB）SEM（，現屬）研究了不同氧化物含量的316L粉末和凝固液滴的形貌，獲得了二次電子（SE）和背散射電子（BSE）圖像。
使用 10 至 15 kV 的能量色散 X 射線光譜（EDS，牛津儀器）和 30 kV 的波長色散 X 射線光譜（WDS，牛津儀器）徹底檢查了樣品的物理成分。
為了研究 316L 粉末的表面氧化物，使用標準原位提取技術從附著在碳化鋼上的氧化物層制備了橫截面 TEM（透射電子顯微鏡）樣品。
使用工作電流為 200kV 的 Talos F200X 顯微鏡（náo，現已擁有）對掃描 TEM (STEM) 進行解剖。
該顯微鏡配備了帶有四個集成硅漂移探測器的 Super-XEDS 系統，支持 0.9srad 的立體角，并提供快速的物理成分映射。
在 STEM 分析過程中，使用 Velox? 軟件同時采集高角度環形暗場 (HAADF) 和明場 (BF) 圖像。
通過標準金相程序和最終振動拋光制備熔融液滴樣品，并使用安裝在 中的 ? EBSD 在 20 kV 電流下進行顯微結構和晶體學解剖，并使用 1.5 μm 步長進行 EBSD 數據采集。
使用1.49v軟件對每種粉末條件下的500張SEM顯微照片進行成像分析，并對熔滴中的雜質（氧化物）進行統計分析。
使用圖像處理來確定熔化完成的室溫，每個捕獲的微觀結構圖像都具有獨特的灰度值輪廓。
在這樣的一級相變過程中，微觀結構的演變將顯著改變所捕獲的微觀結構圖像的灰度值分布熔化和凝固的概念，并且一旦熔化完成，微觀結構將保持不變。
通過使用1.49v（NIH）軟件，可以將記錄的每一幀微觀結構圖像轉換成唯一的灰度值曲線，并通過各個輪廓的物理比較，可以將臨界空氣溫度點確定為與液體和完全熔化的微觀結構之間的總灰度值差相比，相鄰灰度值輪廓的變化保持最小的點。
不同316L粉末的表面氧化物分析
結果是以表面敏感的方式獲得的，因為用于粉末冶金目的的鋼粉末材料表面氧化物選擇的框架已經建立。
氫霧化后，預計新鮮316L粉末的表面會出現長度約為3 nm且含有Si、Mn、Fe和Cr的氧化層。
目前的研究重點是不同含量金屬粉末表面亞微米至微米尺度的過量氧化物/污染物。
觀察到低 O 粉末的干凈金屬表面，表面上存在一些微米級的氧化物。 中O粉末表明粉末表面存在多種氧化物。
考慮316L碳鋼中合金元素的氧親和力，得到氧元素、強氧化物生成元素（Si、Mn和Cr）和晶界Fe的EDS圖。
在粉末表面的同一區域觀察到Si和O信號，而Mn信號較弱。 強的 Si/Mn 信號在大斑塊區域中重疊，并且大斑塊中的無 Si 區域被 Cr 搶占。
高 O 粉末元素的元素圖顯示，粉末表面的大部分被 Fe 增強區域占據，該區域與富氧區域重疊。
不同316L粉末制備液滴的熔融微觀結構
具有重疊構象 (GB) 圖和取向不良的氮化物的反極圖 (IPF) 圖像、低 O 和高 O 粉末熔化液滴之間顯著的微觀結構差異表明奧氏體碳化物生長模式的變化。
在低 O 液滴中觀察到清晰的等軸晶體形態，而柱狀生長導致直氫鍵，但在中 O 粉末的情況下觀察到大晶塊和高 O 粉末。
在低 O2 液滴中觀察到奧氏體碳化物的典型柱狀生長，具有細小的等軸微觀結構，平均碳化物尺寸為 90 μm，而中和高 O2 液滴則顯示出粗柱狀結構，平均中間枝晶臂寬度 (DAS) 為 145 和 244 μm。
高 O 液滴和中低 O 液滴檢測到的奧氏體碳化物/枝晶總量分別為 350 和 500。
熔化液滴中的氫鍵和相關的取向錯誤分布對于理解從不同粉末獲得的液滴的熔化行為也很重要。
在當前的解剖中，使用15度作為閾值偏差來區分IPF+GB圖中的高角度氫鍵（HAGB）和低角度氫鍵（LAGB）。
粉紅色 HAGB（≥15 度）定義了各個奧氏體碳化物的邊界，LAGB 以紅色突出顯示，取向角高于 15 度，以分隔各個碳化物內的子結構。
通過檢測熔融狀態下的高 O 液滴，獲得了氫鍵總寬度中 65% 的高 LAGB 分數，低 O 和中 O 液滴分別顯示出 53% 和 49% 的 LAGB 分數。
當熔體接近低殘余撓度條件時，熔化的樣品預計將表現出 HAGB 主導特征，并且高 O2 液滴的高 LAGB 分數可能與高 O2 粉末上的表面氧化物有關。
LAGB 描繪的子結構尺寸與初始粉末尺寸的范圍相似，表明高 O 粉末中的一部分氧化物在熔化過程中被困在晶界中，這阻礙了熔化前沿并導致勢壘氧化物正面的局部晶體取向錯誤。
鋼粉上產生的表面氧化物會影響粉末的熔化和熔化。 表面氧化物由于籠效應而延遲了熔體粉末的熔合，從而增加了鋼水對這種氧化物的潤濕性差而導致的熔深。
表面氧化通過消耗具有高氧親和力的溶質元素來改變鋼的成分。 熔體中殘留的那些氧化物會導致夾雜物團聚，從而改變熔化過程中的熔化行為和微觀結構。 成品零件的機械性能預計會惡化。