金属粉末作为金属原料的一个独特分支，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。
快速凝固金属粉末具有优异的化学均匀性，与传统的散装雾化工艺相比，气/水雾化工艺强调了其优势，在具有高氧亲和力的金属和合金的粉末生产、处理和加工过程中，由于其高比表面积暴露在环境大气中，表面氧化是不可避免的。
作为金属粉末生产中的主要材料，钢粉由于其在铁基体中的氧溶解度较低，通常以氧化物的形式出现表面氧化，形成的氧化物的化学性质主要取决于金属和合金中的吸氧元素。
人们对采用不同雾化方法制备的各种钢粉的表面氧化物进行了广泛的研究，包括研究它们对粉末冶金部件的压实、烧结和后处理的影响。
表面氧化物层通过减少元素扩散来降低相邻颗粒的颈部生长动力学，从而导致烧结温度升高或加工时间延长，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，极大地影响了粉末冶金制造的钢构件的机械性能，基于粉末熔融的增材制造工艺将金属粉末的应用从固态烧结拓宽到凝固。
随着增材制造市场的快速增长，研究已经涵盖了粉末与增材制造工艺的兼容性为了使竣工部件获得更好的性能，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凝固的粉末原料，因为这是AM进军结构件主流业务的先决条件。
尽管这些现有的努力有助于了解基于粉末熔融的增材制造工艺中材料的演变，但粉末特性的影响仍未得到充分探索。
了解粉末质量与所构建部件的性能（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，增材制造在钢粉上的应用仍然具有挑战性，由于工艺设计的性质，粉末床中的原料粉末无法完全转变为目标部件目前的几何形状。
通过重复使用粉末床中的粉末，大部分材料可能会经历加工环境的多次循环，基体元素 Fe 和合金元素 Cr、Mn 和 Si 都具有较高的氧亲和力，这会导致在传统 AM 加工条件下发生大量氧化。
在之前对 Fe-Cr-Ni 不锈钢粉末的研究中，收集了激光粉末床熔融（L-PBF）过程中的飞溅粉末进行化学和形态表征。
作为强氧化物形成物，在收集的粉末中观察到 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熔合过程中具有积极的强化前景，但这种氧化物的来源尚未确定，其可能来自 PBF 或 PBF 过程中的表面氧化。
相比之下，氧化物对增材制造部件机械性能的影响已被广泛报道，带有氧化物污染的回收 316L 不锈钢粉末，对竣工部件性能和 L-PBF 期间分层过程的影响，拉伸性能严重下降，是由于高氧含量的起始粉末上的大部分表面氧化层所致，粉末污染对制造的18Ni-300马氏体，时效钢部件的疲劳性能的退化影响，即使粉末的平均化学成分落在技术规范内。
使用同步加速器 X 射线成像和衍射方法在 L-PBF 模拟器中 Fe-36Ni Invar36 合金的激光-粉末相互作用。
凝固熔体轨迹中产生的孔隙率归因于粉末原料中的高氧含量，通过基于粉末熔融的增材制造工艺，制造的部件的性能高度依赖于粉末原料中的氧化物含量。
关于表面氧化物对钢粉熔化和凝固影响的信息仍然缺乏。
对此类现象的清晰理解将有助于深入了解粉末材料的熔化和凝固，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、热力学计算、柱状到等轴转变（CET）分析相结合，了解表面氧化物对钢粉熔化和凝固行为以及相应的凝固微观结构的影响和相场模拟。
为了实现这一目标，利用高温共焦激光扫描显微镜（HT-CLSM）对粉末熔化和凝固过程进行原位观察。
不同氧含量316L粉末的实验设计通过观察惰性气体雾化生产的原始 316L 粉末，粒径分布和按数量分数划分的粒径，原始粉末的化学成分（重量百分比）为 Cr 15.77、Ni 10.22、Mo 2.12、Mn 1.26、Si 0.63、C 0.0147、S 0.0142、P 0.038、O 0.0355，余量为 Fe。
通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）方法，测定金属元素的化学成分，通过燃烧分析获得碳、硫和磷含量。氧含量通过惰性气体熔融测定。
为了了解表面氧化物对粉末熔化和凝固行为的影响，分别选择了三种类型的粉末来呈现不同浓度的粉末表面氧化物。
将收到的新鲜粉末用作低氧粉末，同一批316L粉末经过L-PBF工艺的多次循环，直到化学成分不再满足制造规范（氧含量）。
这些被拒绝的粉末被收集为具有中等氧含量的316L粉末，为了研究文献中报道的极端条件， 将收到的新鲜 316L 粉末在气氛控制炉中以 0.1 L/min 的气流在 800 °C 下人工氧化 20 分钟，将该氧化粉末用作高氧粉末。
为简单起见，以下将收到的新鲜 316L 不锈钢粉末称为含有低表面氧化物的粉末和从 L-PBF 工艺收集的粉末，将人工氧化粉末称为含有低表面氧化物的粉末，中和高表面氧化物含量。
316L粉末熔化和凝固现象的原位观察由于激光粉末相互作用的加热和冷却速率较高，捕获增材制造过程中的凝固特征提出了巨大的挑战。
高时间分辨率同步加速器 X 射线设备提供了在 PB-SLM 过程中原位观察孔隙形成的机会，需要具有更高形态对比度的表征方法，来捕获氧化物存在下的液/固相转变的信息。
激光/电子束局部粉末熔化是一种复杂的物理现象，涉及热诱导的固-液相变、激光/电子束诱导的局部电离。
为了研究表面氧化物对粉末材料熔化和凝固的影响，实验设计必须过滤掉其他变量并保持热量输入。
利用 Yonekura VL2000DX-SVF17SP 高温共焦激光扫描显微镜 (HT-CLSM) 现场观察了不同氧化物浓度的 316L 粉末的熔化和凝固行为。
该显微镜包含两个子系统：环境炉和光学采集单元，环境炉能够提供高达 1700 °C 的最高温度，加热和冷却速率分别高达 20 和 100 K/s（氦强制冷却）通过红外辐射加热获得，这有助于避免高能束局部电离。
该炉兼容惰性气体（Ar、N 2）、还原性气体（H 2、CH 4）、氧化性气体（CO 2、空气、O 2、H 2 O）和真空，以模拟高温。
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405 nm的紫色激光源的激光发生器、光学聚焦控制系统，用于通过石英窗对环境炉中样品行为进行成像的CCD相机组成。
粉末和固化液滴的表征采用扫描电子显微镜（SEM，Jeol 7800）和双束聚焦离子束（FIB）SEM（Versa FEI，现属于 Thermo Fisher Scientific）研究了不同氧化物浓度的 316L 粉末和固化液滴的形貌，在此过程中获得了二次电子（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）详细检查了样品的化学成分。
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钢基体上的氧化物层制备了横截面 TEM（透射电子显微镜）样品。
扫描TEM ( STEM )使用 Talos F200X 显微镜（FEI，现属于 Thermo Fisher Scientific）进行分析，工作电压为 200 kV。
该显微镜配备了带有四个集成硅漂移探测器的 Super-X EDS 系统，支持 0.9 srad 的立体角，可提供快速的化学成分绘图。
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凝固液滴样品，使用安装在 Jeol 7800 SEM 中的 Symmetry® EBSD 检测器在 20 kV 电压下进行微观结构和晶体学分析，EBSD 数据采集采用1.5 µ m的步长。
使用 ImageJ 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，对凝固液滴中的夹杂物（氧化物）进行统计分析。
使用图像处理方法来确定凝固完成温度，每个捕获的微观结构图像都具有独特的灰度值轮廓。
在这样的一阶相变期间，微观结构演化将显着改变所捕获的微观结构图像的灰度值轮廓，一旦凝固完成，微观结构将保持不变。
通过使用ImageJ 1.49v（NIH）软件，可以将记录的每一帧显微结构图像转化为唯一的灰度值曲线，通过对各个轮廓的数学比较，可以将临界温度点确定为与液态和完全凝固微观结构之间的总灰度值差异相比，相邻灰度值轮廓的变化保持在最小值的点。
由于用于粉末冶金目的的钢粉末材料表面氧化物选择框架已经建立，因此结果是通过表面敏感方法获得的。
氩气雾化后，新鲜的 316L 粉末表面预计会出现厚度约为 3 nm 且富含 Si、Mn、Fe 和 Cr 的氧化层。
在当前的研究中，重点是不同浓度的金属粉末表面上亚微米至微米尺寸的过量氧化物/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粉末显示粉末表面存在多种氧化物。
通过考虑316L不锈钢中合金元素的氧亲和力，氧元素、强氧化物形成元素（Si、Mn和Cr）和基体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。强烈的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占据。
高 O 粉末元素的元素图可以看出，粉末表面的很大一部分被 Fe 强化区域占据，该区域与富氧区域重叠。
不同316L粉末制备液滴的凝固态微观结构具有重叠晶界（GB）图的反极图（IPF）图像和晶界取向差，低O粉末和高O粉末凝固的液滴之间明显的微观结构差异表明奥氏体晶粒生长模式的变化。
在低 O 液滴中观察到清晰的等轴晶形态，而柱状生长导致直晶界，并且在中 O 粉末的情况下观察到大晶块和高O粉。
观察到奥氏体晶粒的典型柱状生长，在低O2液滴中观察到平均晶粒尺寸为90μm的细小等轴微观结构，而中和高O2液滴则显示出平均初级枝晶臂间距（DAS）为145和244μm的粗柱状结构。
分别对于高 O 液滴和中低 O 液滴测量的奥氏体晶粒/枝晶总数分别为 350 和 500。
凝固液滴中的晶界和相关的取向差分布对于理解从不同粉末获得的液滴的凝固行为也很重要。
在当前的分析中，15度被用作阈值误差，以区分IPF GB图中的高角度晶界（HAGB）和低角度晶界（LAGB）。
黑色的 HAGB（≥ 15 度）定义了单个奥氏体晶粒的边界，LAGB 以白色突出显示，其取向角低于 15 度，以分离单个晶粒内的子结构。
通过检查凝固态高 O 液滴，获得了晶界总长度中 65% 的高 LAGB 分数，低 O 和中 O 液滴分别显示 53 和 49 pct LAGB 分数。
当凝固接近低残余应力条件时，凝固态样品预计会呈现出 HAGB 主导特征，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 勾勒出的子结构尺寸与初始粉末尺寸处于相似的范围，这表明高O粉末中的一部分氧化物在凝固过程中被困在熔池中，这阻碍了凝固前沿并导致障碍氧化物两侧的局部晶体取向错误。
钢粉末上形成的表面氧化物会影响粉末的熔化和凝固，表面氧化物由于笼效应而延迟了熔融粉末的熔体结合，从而降低了由于钢液对这些氧化物润湿性差而导致的熔体渗透性。
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，熔体中残留的这些氧化物会导致夹杂物团聚，从而改变凝固行为和凝固时的微观结构，预计竣工部件的机械性能会恶化。
