增材制造獲得高性能純鎢：成形過程、微觀結構演變和力學性能研究

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

迄今為止，通過激光增材制造來制造無缺陷的高性能純鎢一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。在這項工作中，天津大學，中南大學等合作使用納米粉末作為前驅體，通過間接增材制造技術、粉末擠壓打印成功制造了純鎢部件。對生坯的后續(xù)脫脂-燒結工藝進行了優(yōu)化，以獲得高相對密度、細晶粒和無缺陷的鎢樣品。樣品的相對密度隨著燒結溫度的升高而升高。比較研究了直接和間接增材制造技術制備的純鎢的微觀結構，包括激光粉末床熔融和粉末擠壓打印。純鎢樣品微裂紋的形成主要是由于激光粉末床熔化提供的高殘余應力和鎢的高韌性-脆性轉變溫度特性。具有最高抗壓強度(1290±10MPa)的純鎢樣品的燒結溫度確定為2000°C。與其他燒結樣品相比，在2000°C下燒結的無缺陷樣品具有更細的晶粒(9.8μm)，同時保持較高的相對密度(99.1±0.4%)。與通過其他直接增材制造技術獲得并在其他溫度下燒結的樣品相比，在2000°C下燒結樣品的更高強度與細晶粒強化和高相對密度有關。該工作開發(fā)的基于納米粉末前驅體的間接增材制造技術為高性能鎢和/或其他難熔金屬的增材制造提供了一種新的技術途徑。

相關研究成果以題“Achieving high-performance pure tungsten by additive manufacturing: Processing, microstructural evolution and mechanical properties” 發(fā)表在國際期刊《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》上。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應用！

鎢（W）作為一種難熔金屬，具有熔點高（3420℃）、密度高（19.35 g/cm3）、硬度高、蒸氣壓低、熱膨脹系數(shù)低、輻射屏蔽性能和出色的導熱性。基于這些特性的這種獨特組合，鎢已在工程、軍事、醫(yī)療和電子領域得到廣泛應用，例如未來核聚變反應堆的面向等離子體材料、準直器和高性能火箭噴嘴。目前，鎢零件通常采用粉末冶金（PM）、化學氣相沉積（CVD）和放電等離子燒結（SPS）等方法制備。但由于鎢的脆性和高硬度，很難通過粉末冶金及后續(xù)機加工獲得結構復雜的鎢零件，進一步限制了鎢的應用。

增材制造作為一種近凈成形技術，能夠生產(chǎn)具有復雜結構的零件，從而為克服傳統(tǒng)方法的缺點提供了可能。直接增材技術是利用高能量源（激光或電子束）直接作用于金屬粉末熔化、凝固成型，包括激光粉末床熔化（LPBF）、電子束選區(qū)熔化（EBM）和激光熔化沉積(LMD)。該技術由于其廣泛的適用性和適用于大多數(shù)金屬，如鎳基高溫合金、AlSi10Mg合金、Ti-6Al-4V合金、Al7000系列合金和316L不銹鋼。然而，使用直接增材制造來生產(chǎn)相對密度高且無缺陷的純鎢零件仍然面臨一些技術挑戰(zhàn)。鎢的高熔點有助于高內(nèi)聚能和高表面張力，容易導致熔池中的液體不穩(wěn)定并促進球化現(xiàn)象的發(fā)生。此外，具有高韌性-脆性轉變溫度(DBTT)的鎢很容易開裂，特別是在直接增材制造過程中，由于高加熱和冷卻速率(103–106K/s)導致的高殘余應力。因此，大部分基于直接增材制造技術的研究主要集中在如何提高鎢的相對密度和消除鎢的缺陷，包括合金化、工藝參數(shù)和襯底預熱。

△粉末成形示意圖與粉末

通過直接增材制造可以獲得高相對密度的純鎢和鎢合金，但樣品中存在粗大的鎢晶粒和顯微結構各向異性。因此，如果能結合粉末冶金（制備高相對密度、無缺陷的純鎢零件）和增材制造（制備復雜結構）的優(yōu)點，將極大促進無缺陷、細晶粒鎢的制造結構復雜的零件。在此基礎上，開發(fā)了一種間接增材制造技術——粉末擠壓打�。≒EP），結合增材制造技術和粉末冶金技術來制造純鎢零件。PEP技術使用噴嘴根據(jù)特定的掃描策略擠出金屬粉末和多組分粘合劑的漿料以形成生坯。生坯件需要進行后續(xù)的脫脂和燒結以獲得高性能的燒結樣品。

△不同燒結溫度下純鎢樣品的SEM圖像

△制備純鎢試樣的力學性能比較

該工作創(chuàng)新性地采用濕化學法制備的鎢納米粉作為前驅體粉末，采用PEP技術成功制備出純鎢件。詳細研究了在不同溫度下燒結的純鎢樣品的致密化和微觀結構差異。研究了LPBF和PEP制備的純鎢的微觀結構差異。進一步提出了對純鎢樣品的微觀結構演變和燒結機制的見解。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應用！

△在2000℃下燒結的純鎢樣品的SEM圖像

△顯微組織演變示意圖

本工作創(chuàng)新性地將鎢納米粉用于間接增材制造（PEP），成功制造出純鎢綠零件。通過確定合適的脫脂和燒結工藝，成功制備了高相對密度、細晶粒和無缺陷的純鎢零件。樣品的相對密度隨著燒結溫度的升高而增加，在2000~2300℃時達到99.0%以上。樣品相對密度高的原因是具有高燒結活性的納米粉體可以在燒結過程中促進致密化。與其他燒結樣品相比，在2000°C下燒結的純鎢樣品在保持高相對密度的同時具有細小的晶粒(9.8μm)，具有最佳的相對密度和晶粒尺寸組合。在2000°C下燒結的純鎢樣品的最高抗壓強度為1290±10MPa，高于在2300°C下燒結的鎢樣品(1138±8MPa)和直接增材制造制備的鎢樣品，這可歸因于細晶粒和高相對密度。