天大顶刊丨增材制造获得高性能纯钨：成形过程、微观结构演变和力学性能研究

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迄今为止，通过激光增材制造来制造无缺陷的高性能纯钨一直是一个巨大的挑战。在这项工作中，天津大学，中南大学等合作使用纳米粉末作为前驱体，通过间接增材制造技术、粉末挤压打印成功制造了纯钨部件。对生坯的后续脱脂-烧结工艺进行了优化，以获得高相对密度、细晶粒和无缺陷的钨样品。样品的相对密度随着烧结温度的升高而升高。比较研究了直接和间接增材制造技术制备的纯钨的微观结构，包括激光粉末床熔融和粉末挤压打印。纯钨样品微裂纹的形成主要是由于激光粉末床熔化提供的高残余应力和钨的高韧性-脆性转变温度特性。具有最高抗压强度(1290±10MPa)的纯钨样品的烧结温度确定为2000°C。与其他烧结样品相比，在2000°C下烧结的无缺陷样品具有更细的晶粒(9.8μm)，同时保持较高的相对密度(99.1±0.4%)。与通过其他直接增材制造技术获得并在其他温度下烧结的样品相比，在2000°C下烧结样品的更高强度与细晶粒强化和高相对密度有关。该工作开发的基于纳米粉末前驱体的间接增材制造技术为高性能钨和/或其他难熔金属的增材制造提供了一种新的技术途径。

相关研究成果以题“Achieving high-performance pure tungsten by additive manufacturing: Processing, microstructural evolution and mechanical properties” 发表在国际期刊《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》上。

论文原文下载见本文末

钨（W）作为一种难熔金属，具有熔点高（3420℃）、密度高（19.35 g/cm3）、硬度高、蒸气压低、热膨胀系数低、辐射屏蔽性能和出色的导热性。基于这些特性的这种独特组合，钨已在工程、军事、医疗和电子领域得到广泛应用，例如未来核聚变反应堆的面向等离子体材料、准直器和高性能火箭喷嘴。目前，钨零件通常采用粉末冶金（PM）、化学气相沉积（CVD）和放电等离子烧结（SPS）等方法制备。但由于钨的脆性和高硬度，很难通过粉末冶金及后续机加工获得结构复杂的钨零件，进一步限制了钨的应用。

增材制造作为一种近净成形技术，能够生产具有复杂结构的零件，从而为克服传统方法的缺点提供了可能。直接增材技术是利用高能量源（激光或电子束）直接作用于金属粉末熔化、凝固成型，包括激光粉末床熔化（LPBF）、电子束选区熔化（EBM）和激光熔化沉积(LMD)。该技术由于其广泛的适用性和适用于大多数金属，如镍基高温合金、AlSi10Mg合金、Ti-6Al-4V合金、Al7000系列合金和316L不锈钢。然而，使用直接增材制造来生产相对密度高且无缺陷的纯钨零件仍然面临一些技术挑战。钨的高熔点有助于高内聚能和高表面张力，容易导致熔池中的液体不稳定并促进球化现象的发生。此外，具有高韧性-脆性转变温度(DBTT)的钨很容易开裂，特别是在直接增材制造过程中，由于高加热和冷却速率(103–106K/s)导致的高残余应力。因此，大部分基于直接增材制造技术的研究主要集中在如何提高钨的相对密度和消除钨的缺陷，包括合金化、工艺参数和衬底预热。

粉末成形示意图与粉末

通过直接增材制造可以获得高相对密度的纯钨和钨合金，但样品中存在粗大的钨晶粒和显微结构各向异性。因此，如果能结合粉末冶金（制备高相对密度、无缺陷的纯钨零件）和增材制造（制备复杂结构）的优点，将极大促进无缺陷、细晶粒钨的制造结构复杂的零件。在此基础上，开发了一种间接增材制造技术——粉末挤压打印（PEP），结合增材制造技术和粉末冶金技术来制造纯钨零件。PEP技术使用喷嘴根据特定的扫描策略挤出金属粉末和多组分粘合剂的浆料以形成生坯。生坯件需要进行后续的脱脂和烧结以获得高性能的烧结样品。

不同烧结温度下纯钨样品的SEM图像

制备纯钨试样的力学性能比较

该工作创新性地采用湿化学法制备的钨纳米粉作为前驱体粉末，采用PEP技术成功制备出纯钨件。详细研究了在不同温度下烧结的纯钨样品的致密化和微观结构差异。研究了LPBF和PEP制备的纯钨的微观结构差异。进一步提出了对纯钨样品的微观结构演变和烧结机制的见解。

在2000℃下烧结的纯钨样品的SEM图像

显微组织演变示意图

本工作创新性地将钨纳米粉用于间接增材制造（PEP），成功制造出纯钨绿零件。通过确定合适的脱脂和烧结工艺，成功制备了高相对密度、细晶粒和无缺陷的纯钨零件。样品的相对密度随着烧结温度的升高而增加，在2000~2300℃时达到99.0%以上。样品相对密度高的原因是具有高烧结活性的纳米粉体可以在烧结过程中促进致密化。与其他烧结样品相比，在2000°C下烧结的纯钨样品在保持高相对密度的同时具有细小的晶粒(9.8μm)，具有最佳的相对密度和晶粒尺寸组合。在2000°C下烧结的纯钨样品的最高抗压强度为1290±10MPa，高于在2300°C下烧结的钨样品(1138±8MPa)和直接增材制造制备的钨样品，这可归因于细晶粒和高相对密度。

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2024-02-24