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增材制造技术制备钨材料研究进展介绍(一)

        钨作为一种重要的难熔金属材料,具有高熔点和沸点、高硬度、低膨胀系数、低蒸气压等特点,在航天航空、电子、化工、核工业及其他极端环境领域有着重要应用。然而,由于钨有较高的熔点和低温脆性,使其很难使用通常的铸造和机加工方法制备。通常,大部分钨材料零件采用粉末冶金方法制备,但常规烧结态钨产品因存在密度低、强度低、塑性差和杂质含量难以控制等缺点,应用范围受到很大限制。同时,在实际应用中,钨材料零部件的结构往往较复杂,通常有曲面、弯曲管道、孔和槽等特征,传统粉末冶金方法也难以实现。因此,为克服传统成形方法的不足,有必要采用一些新的成形技术。

        近年来,快速发展起来的金属增材制造技术(或3D 打印技术)是利用高能热源熔化金属粉末,通过逐点-逐线-逐层堆积的方法实现三维实体零件的直接制造,具有无模具、近净成形的优点,且由于采用微熔池逐层堆积、熔化量小、凝固速度快,其成形样品的组织细小,力学性能优异。目前该技术在不锈钢、高温合金及钛合金复杂零件制造方面已有较广泛的应用。该技术也为高熔点钨合金的制备提供了一个有效的途径。钨合金的的类型较多,主要包括固溶合金、沉淀强化合金、高密度钨合金、W-Cu、W-Ag复合材料和WC 硬质合金等,但是目前国内外关于增材制造钨的相关报道还较少,主要是集中在纯钨、W-Ni-Cu、W-Ni-Fe 高密度合金及W-Cu 复合材料等。本文对增材制造技术制备钨材料的研究进展、应用情况以及面临的主要问题进行了介绍。


1 典型钨及钨合金增材制造工艺
        目前报道的增材制造钨及钨合金大多是采用增材制造技术中的激光选区熔化成形技术制备。激光选区熔化成形的过程为先构建零件的三维模型,然后将模型按一定的厚度切片分层,激光束按照切层的信息,有选择的熔化铺粉平台上铺展的金属粉末原料,熔化完成后,铺粉平台下降一定高度,再铺展一层粉末,再进行选择熔化,如此反复,经过层层熔化与堆积,最终成形具有冶金结合、组织致密的金属零件。

2 增材制造纯钨材料
        纯钨材料由于具有良好的导电性、高温稳定性等,在现代电子、半导体、光伏产业等中扮演十分重要的角色。但是由于钨的熔点高、密度大、热导率低、熔体表面张力大、粘度大,在增材制造过程中细小熔滴不稳定、球化现象显著,导致增材制造成形难度较大。周鑫等针对上述问题开展了纯钨激光选区熔化成形工艺研究,利用激光扫描单层粉末的方式,开展了纯钨粉体激光熔化-凝固过程研究,探索了成形加工窗口,观察了熔滴球化现象。并运用熔滴铺展-凝固竞争模型解释了球化机制,提出利用增强基板与粉体对激光的吸收来提高熔滴峰值温度并延长凝固时间,以减弱球化倾向。增材制造过程中采用微熔池逐层堆积、熔化量小、凝固速度快,所以增材制造钨合金的显微组织与传统粉末冶金方法制备的钨合金的显微组织会有一定差别。张丹青等对激光选区熔化成形的纯钨样品显微组织观察发现,激光熔化-凝固形成了尺寸约为500nm且有一定方向性的针状组织,形成这种显微组织一方面是由于在逐层熔化过程中,层与层之间热流的加工方向相互垂直,造成的晶体组织定向生长曰另一方面是由于激光热源作用在金属粉末上形成细小的熔池,在熔体表面张力的作用下形成。同时得出,成形试样的显微硬度随扫描层数的增加呈下降趋势,当扫描厚度由第一层增加至第六层时,试样的显微硬度由826HV下降到353HV,之后显微硬度在试样高度方向上呈波动分布。

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