金属粉末是金属原材料的一个新分支，通过粉末冶金 (PM)、喷涂沉积和新兴的增材制造 (AM) 已广泛应用于结构应用。
快速熔化的金属粉末具有优异的物理均匀性，空气/水雾化工艺指出了其相对于传统本体雾化工艺的优势。 在具有高氧亲和力的金属和合金粉末的生产、处理和加工过程中，由于其高比表面积暴露于环境大气中，表面氧化是不可避免的。
钢粉作为生产金属粉末的主要材料，由于其在碳化铁中的氧溶解度较低，一般会以氧化物的形式出现表面氧化，而生成的氧化物的物理性能主要取决于金属及合金中的吸氧元素。
人们广泛研究了通过不同雾化方法制备的各类钢粉末的表面氧化物，包括它们对粉末冶金部件的压实、烧结和后处理的影响。
表面氧化层通过减少元素扩散来增加相邻颗粒的头部生长动力学，从而导致烧成温度降低或加工时间增加，这两者都不利于PM工艺中的材料氧化控制。
粉末材料中过量的氧化物极大地影响粉末冶金制造的钢构件的机械性能。 基于粉末熔体的增材制造工艺拓宽了金属粉末的应用范围，从固态焙烧到熔融。
随着增材制造市场的快速衰退，长期以来，研究都将粉末与增材制造工艺的相容性纳入其中，以便使成品零件获得更好的性能，例如粉末流动性、球形度和堆积密度。
增材制造行业非常需要适合快速熔化的粉末材料，因为这是增材制造进入结构件主流业务的先决条件。
虽然现有的努力有助于了解粉末熔体增材制造工艺中材料的演变，但粉末特性的影响尚未得到充分探索。
了解粉末质量与所制造零件的特性（例如粉末材料上的表面氧化物）之间的关系至关重要。
与粉末冶金工艺不同熔化和凝固的概念，增材制造在钢粉末上的应用一直具有挑战性，因为根据工艺设计的性质，粉末床中的原料粉末并未完全转变为目标零件的当前几何形状。
通过重复使用粉末床中的粉末，大多数材料可以经历加工环境的多次循环。 晶界元素Fe和合金元素Cr、Mn、Si均具有较高的氧亲和力，在常规增材制造加工条件下会引起广泛的氧化。
在之前对 Fe-Cr-Ni 碳钢粉末的研究中，收集了激光粉末床熔化 (L-PBF) 工艺中的溅射粉末，以进行物理和形态表征。
作为强氧化物生成剂，在收集的粉末中观察到了 Si、Mn 和 Cr 氧化物，尽管对 18Ni-300 马氏体时效钢内部纳米氧化物的研究表明，纳米氧化物夹杂物在激光偏析过程中具有良好的强化前景，但这些氧化物的来源仍未确定，可能来自 PBF 或 PBF 过程中的表面氧化。
相比之下，氧化物对增材制造零件机械性能的影响已被广泛报道。 含有氧化物污染的回收 316L 碳钢粉末对成品零件性能和 L-PBF 过程中的分层过程产生影响。 由于起始粉末上的大部分表面氧化层具有高氧浓度，拉伸性能严重下降。 尽管粉末的平均物理成分符合规格，但粉末污染对制造的 18Ni-300 马氏体时效钢零件的疲劳性能产生了降低的影响。
使用同步加速器 X 射线成像和衍射模态在 L-PBF 模拟器中实现 Fe-36Ni 合金的激光-粉末相互作用。
熔化轨迹中形成的孔隙率归因于粉末原材料中的高氧浓度，并且通过基于粉末熔体的增材制造工艺制造的零件的性能高度依赖于粉末原材料中的氧化物浓度。
关于表面氧化物对钢粉熔化和熔化的影响的信息一直缺乏。
清楚地了解这种现象将有助于深入了解粉末材料的熔化和熔化。 在当前的研究中，我们的目标是通过将实验观察与先进的表征技术、热力学估计、柱状到等轴转变（CET）解剖相结合，了解表面氧化物对钢粉熔化和熔化行为的影响以及相应的熔化微观结构和相场模拟。
为了实现这一目标，借助低温共焦激光扫描显微镜（HT-CLSM）对粉末熔化和熔化过程进行了原位观察。
不同氧浓度316L粉末的实验设计
通过观察惰性二氧化碳雾化生产的316L原粉、粒度分布及数分数定义的粒度，可知原粉的物理成分（重量百分比）为Cr15.77、Ni10.22、Mo2.12、Mn1.26、Si0.63、C0.0147、S0.0142、P0.038、O0.0355，余量为Fe。
通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定金属元素的物理成分，并通过燃烧分析获得碳、硫和磷的浓度。 氧气浓度通过惰性二氧化碳熔体测定。
为了了解表面氧化物对粉末熔化和熔化行为的影响，分别选择了三种类型的粉末来呈现不同含量的粉末表面氧化物。
将收到的新鲜粉末作为低氧粉末，对同批次的316L粉末进行L-PBF工艺的多次循环，直至物理成分不再满足制造规范（氧浓度）。
该被拒绝的粉末被收集为具有中等氧浓度的316L粉末。 为了研究文献报道的极端条件，将收到的新鲜316L粉末在800℃的气氛控制炉中以0.1L/min的气流进行人工氧化20分钟，并将该氧化粉末用作高氧粉末。
为了简单起见，下面将收到的新鲜316L碳钢粉末称为低表面富氧化物粉末和从L-PBF工艺收集的粉末，并将人工氧化粉末称为低表面富氧化物粉末，以中和高表面氧化物浓度。
316L粉末熔化及熔融现象的现场观察
由于激光-粉末相互作用的加热和冷却速率较高，在增材制造过程中捕获熔化特性提出了艰巨的挑战。
高时间帧率同步加速器 X 射线设施提供了在 PB-SLM 期间原位观察孔隙生成的机会，需要具有更高形态对比度的表征，以捕获氧化物存在下液/液相变的信息。
激光/电子束局部粉末熔化是一种复杂的数学现象，涉及热诱导固-气相变、激光/电子束诱导局部电离。
为了研究表面氧化物对粉末材料熔化和熔化的影响，实验设计必须过滤掉其他变量并保持热输入。
利用低温共焦激光扫描显微镜（HT-CLSM）原位观察了不同氧化物含量的316L粉末的熔化和熔化行为。
该显微镜由两个子系统组成：环境炉和光学采集单元。 该环保炉可提供高达1700°C的最高空气温度，加热和冷却速率分别高达20和100 K/s（氦气强制冷却）。 这是通过红外辐射加热来实现的，这有助于防止高能束的局部电离。
该炉兼容惰性二氧化碳（Ar、N2）、还原性二氧化碳（H2、CH4）、氧化性二氧化碳（CO2、空气、O2、H2O）和真空，以模拟低温。
一系列环境条件下气-液-固反应的温度行为。 光学采集单元由波长为405nm白色激光源的激光发生器、光学聚焦控制系统和CCD单镜反光镜组成，用于通过石英窗对环境炉中的样品行为进行成像。
粉末和固化液滴的表征
采用扫描电子显微镜（SEM，）和双束聚焦离子束（FIB）SEM（，现属）研究了不同氧化物含量的316L粉末和凝固液滴的形貌，获得了二次电子（SE）和背散射电子（BSE）图像。
使用 10 至 15 kV 的能量色散 X 射线光谱（EDS，牛津仪器）和 30 kV 的波长色散 X 射线光谱（WDS，牛津仪器）彻底检查了样品的物理成分。
为了研究 316L 粉末的表面氧化物，使用标准原位提取技术从附着在碳化钢上的氧化物层制备了横截面 TEM（透射电子显微镜）样品。
使用工作电流为 200kV 的 Talos F200X 显微镜（náo，现已拥有）对扫描 TEM (STEM) 进行解剖。
该显微镜配备了带有四个集成硅漂移探测器的 Super-XEDS 系统，支持 0.9srad 的立体角，并提供快速的物理成分映射。
在 STEM 分析过程中，使用 Velox™ 软件同时采集高角度环形暗场 (HAADF) 和明场 (BF) 图像。
通过标准金相程序和最终振动抛光制备熔融液滴样品，并使用安装在 中的 ® EBSD 在 20 kV 电流下进行显微结构和晶体学解剖，并使用 1.5 µm 步长进行 EBSD 数据采集。
使用1.49v软件对每种粉末条件下的500张SEM显微照片进行成像分析，并对熔滴中的杂质（氧化物）进行统计分析。
使用图像处理来确定熔化完成的室温，每个捕获的微观结构图像都具有独特的灰度值轮廓。
在这样的一级相变过程中，微观结构的演变将显着改变所捕获的微观结构图像的灰度值分布熔化和凝固的概念，并且一旦熔化完成，微观结构将保持不变。
通过使用1.49v（NIH）软件，可以将记录的每一帧微观结构图像转换成唯一的灰度值曲线，并通过各个轮廓的物理比较，可以将临界空气温度点确定为与液体和完全熔化的微观结构之间的总灰度值差相比，相邻灰度值轮廓的变化保持最小的点。
不同316L粉末的表面氧化物分析
结果是以表面敏感的方式获得的，因为用于粉末冶金目的的钢粉末材料表面氧化物选择的框架已经建立。
氢雾化后，预计新鲜316L粉末的表面会出现长度约为3 nm且含有Si、Mn、Fe和Cr的氧化层。
目前的研究重点是不同含量金属粉末表面亚微米至微米尺度的过量氧化物/污染物。
观察到低 O 粉末的干净金属表面，表面上存在一些微米级的氧化物。 中O粉末表明粉末表面存在多种氧化物。
考虑316L碳钢中合金元素的氧亲和力，得到氧元素、强氧化物生成元素（Si、Mn和Cr）和晶界Fe的EDS图。
在粉末表面的同一区域观察到Si和O信号，而Mn信号较弱。 强的 Si/Mn 信号在大斑块区域中重叠，并且大斑块中的无 Si 区域被 Cr 抢占。
高 O 粉末元素的元素图显示，粉末表面的大部分被 Fe 增强区域占据，该区域与富氧区域重叠。
不同316L粉末制备液滴的熔融微观结构
具有重叠构象 (GB) 图和取向不良的氮化物的反极图 (IPF) 图像、低 O 和高 O 粉末熔化液滴之间显着的微观结构差异表明奥氏体碳化物生长模式的变化。
在低 O 液滴中观察到清晰的等轴晶体形态，而柱状生长导致直氢键，但在中 O 粉末的情况下观察到大晶块和高 O 粉末。
在低 O2 液滴中观察到奥氏体碳化物的典型柱状生长，具有细小的等轴微观结构，平均碳化物尺寸为 90 μm，而中和高 O2 液滴则显示出粗柱状结构，平均中间枝晶臂宽度 (DAS) 为 145 和 244 μm。
高 O 液滴和中低 O 液滴检测到的奥氏体碳化物/枝晶总量分别为 350 和 500。
熔化液滴中的氢键和相关的取向错误分布对于理解从不同粉末获得的液滴的熔化行为也很重要。
在当前的解剖中，使用15度作为阈值偏差来区分IPF+GB图中的高角度氢键（HAGB）和低角度氢键（LAGB）。
粉红色 HAGB（≥15 度）定义了各个奥氏体碳化物的边界，LAGB 以红色突出显示，取向角高于 15 度，以分隔各个碳化物内的子结构。
通过检测熔融状态下的高 O 液滴，获得了氢键总宽度中 65% 的高 LAGB 分数，低 O 和中 O 液滴分别显示出 53% 和 49% 的 LAGB 分数。
当熔体接近低残余挠度条件时，熔化的样品预计将表现出 HAGB 主导特征，并且高 O2 液滴的高 LAGB 分数可能与高 O2 粉末上的表面氧化物有关。
LAGB 描绘的子结构尺寸与初始粉末尺寸的范围相似，表明高 O 粉末中的一部分氧化物在熔化过程中被困在晶界中，这阻碍了熔化前沿并导致势垒氧化物正面的局部晶体取向错误。
钢粉上产生的表面氧化物会影响粉末的熔化和熔化。 表面氧化物由于笼效应而延迟了熔体粉末的熔合，从而增加了钢水对这种氧化物的润湿性差而导致的熔深。
表面氧化通过消耗具有高氧亲和力的溶质元素来改变钢的成分。 熔体中残留的那些氧化物会导致夹杂物团聚，从而改变熔化过程中的熔化行为和微观结构。 成品零件的机械性能预计会恶化。