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增材制造獲得高性能純鎢:成形過程、微觀結(jié)構(gòu)演變和力學(xué)性能研究

3D打印動(dòng)態(tài)
2024
01/19
10:53
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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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)工作中,,天津大學(xué),,中南大學(xué)等合作使用納米粉末作為前驅(qū)體,通過間接增材制造技術(shù),、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(jié)工藝進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得高相對密度,、細(xì)晶粒和無缺陷的鎢樣品,。樣品的相對密度隨著燒結(jié)溫度的升高而升高。比較研究了直接和間接增材制造技術(shù)制備的純鎢的微觀結(jié)構(gòu),,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(yīng)力和鎢的高韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度特性。具有最高抗壓強(qiáng)度(1290±10MPa)的純鎢樣品的燒結(jié)溫度確定為2000°C,。與其他燒結(jié)樣品相比,,在2000°C下燒結(jié)的無缺陷樣品具有更細(xì)的晶粒(9.8μm),同時(shí)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(shù)獲得并在其他溫度下燒結(jié)的樣品相比,,在2000°C下燒結(jié)樣品的更高強(qiáng)度與細(xì)晶粒強(qiáng)化和高相對密度有關(guān)。該工作開發(fā)的基于納米粉末前驅(qū)體的間接增材制造技術(shù)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(shù)途徑,。

相關(guān)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(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,免費(fèi)獲取海量增材資料,,聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用,!


鎢(W)作為一種難熔金屬,具有熔點(diǎn)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(dǎo)熱性,。基于這些特性的這種獨(dú)特組合,,鎢已在工程,、軍事、醫(yī)療和電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,,例如未來核聚變反應(yīng)堆的面向等離子體材料,、準(zhǔn)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(xué)氣相沉積(CVD)和放電等離子燒結(jié)(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(jī)加工獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鎢零件,,進(jìn)一步限制了鎢的應(yīng)用。

增材制造作為一種近凈成形技術(shù),,能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件,,從而為克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)提供了可能。直接增材技術(shù)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(shù)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(shù)挑戰(zhàn),。鎢的高熔點(diǎn)有助于高內(nèi)聚能和高表面張力,容易導(dǎo)致熔池中的液體不穩(wěn)定并促進(jìn)球化現(xiàn)象的發(fā)生,。此外,,具有高韌性-脆性轉(zhuǎn)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(dǎo)致的高殘余應(yīng)力,。因此,,大部分基于直接增材制造技術(shù)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(yù)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(jié)構(gòu)各向異性,。因此,如果能結(jié)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(fù)雜結(jié)構(gòu))的優(yōu)點(diǎn),,將極大促進(jìn)無缺陷、細(xì)晶粒鎢的制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件,。在此基礎(chǔ)上,,開發(fā)了一種間接增材制造技術(shù)——粉末擠壓打印(PEP),,結(jié)合增材制造技術(shù)和粉末冶金技術(shù)來制造純鎢零件,。PEP技術(shù)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(jìn)行后續(xù)的脫脂和燒結(jié)以獲得高性能的燒結(jié)樣品,。
△不同燒結(jié)溫度下純鎢樣品的SEM圖像
△制備純鎢試樣的力學(xué)性能比較
該工作創(chuàng)新性地采用濕化學(xué)法制備的鎢納米粉作為前驅(qū)體粉末,,采用PEP技術(shù)成功制備出純鎢件。詳細(xì)研究了在不同溫度下燒結(jié)的純鎢樣品的致密化和微觀結(jié)構(gòu)差異,。研究了LPBF和PEP制備的純鎢的微觀結(jié)構(gòu)差異,。進(jìn)一步提出了對純鎢樣品的微觀結(jié)構(gòu)演變和燒結(jié)機(jī)制的見解。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,,免費(fèi)獲取海量增材資料,,聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用!
△在2000℃下燒結(jié)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(jié)工藝,成功制備了高相對密度,、細(xì)晶粒和無缺陷的純鎢零件,。樣品的相對密度隨著燒結(jié)溫度的升高而增加,在2000~2300℃時(shí)達(dá)到99.0%以上,。樣品相對密度高的原因是具有高燒結(jié)活性的納米粉體可以在燒結(jié)過程中促進(jìn)致密化,。與其他燒結(jié)樣品相比,在2000°C下燒結(jié)的純鎢樣品在保持高相對密度的同時(shí)具有細(xì)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(jié)的純鎢樣品的最高抗壓強(qiáng)度為1290±10MPa,高于在2300°C下燒結(jié)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(xì)晶粒和高相對密度,。


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