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增材制造技术制备钨材料研究进展介绍(二)

3 增材制造高密度钨合金
        高密度钨合金是以钨为基体(钨的质量百分含量在85%~99%),加入少量的Ni、Cu、Fe 等元素组成的合金,密度可达16.5~19.0 g/cm3,该合金具有密度高、强度高、延性好和无污染等优点,广泛应用在航空航天领域的惯性转动元件、配重元件及作为穿甲弹弹蕊等武器材料。目前,增材制造钨合金的研究即主要是集中在高密度钨合金上,尤其是W-Ni,W-Ni-Fe 和W-Ni-Cu体系。纯钨的激光选区熔化试样在低能量输入下是较难形成完全致密结构的,但高密度钨合金中因为加入了Ni、Cu、Fe 等低熔点元素,以低熔点Ni 粉、Fe 粉、Cu 粉与W 粉混合作为原料,在增材制造成形过程中可形成类似于粉末冶金过程中的活化烧结过程,可有效提高产品的致密度。ZhangDQ等进行了W-Ni 合金激光选区熔化成形过程中成形机理和微观组织演化研究,指出其成形机理为Ni 颗粒和部分W颗粒熔化作为粘结相,将固相的W 颗粒进行液相烧结的成形过程,对增材制造W-Ni 的显微组织进行了研究表明:随着Ni 含量的增加,激光选区熔化成形W-Ni 合金显微组织分别为:条状、枝晶状和蜂窝状。这主要是由于低熔点元素Ni 的加入,使得粉末的热吸收率、比热、熔点等发生变化,引起温度梯度的降低和冷却速度的下降。Ni 含量的增加能有效降低熔体的粘
度,改善熔体的热流性能,提高组织均匀性。

        张丹青等通过对W-Ni-Cu 合金激光选区熔化过程成形机理和微观组织演化进行研究,指出其烧结机制为液相烧结和钨颗粒熔化-凝固的综合作用,研究了合金的致密化过程可以归因为粉层中未逸出气体的运动和液相流动的改善。同时,还以W-Ni-Fe 合金为研究对象,采用有限元方法对激光选区熔化成形工艺参数对温度场的影响进行了模拟,揭示合金烧结过程机理。研究表明,在激光功率一定的前提下,扫描速度高时,W-Ni-Fe 合金致密化的机制是液相烧结,组织为液相凝固粘结未熔化的颗粒曰随扫描速度的减小,组织中的枝晶逐渐增加,说明熔池温度升高,钨颗粒发生熔化曰当扫描速度进一步降低,合金组织为柱状晶组织,其成形机理为合金粉末熔化-凝固机制。李瑞迪等也对高密度钨合金(W-7Ni-3Fe)的激光选区熔化成形技术进行了研究,得出了类似的结论。王攀等利用激光选区熔化成形制备出W-Ni-Fe 高密度合金力学拉伸试验件。通过测试抗拉强度、硬度,结合组织结构和成分配比的研究分析,指出样品的力学性能与传统的粉末冶金烧结工艺之间还存在着一定的差距。

4 增材制造钨铜复合材料
        W-Cu 复合材料因同时具有铜的高导电导热性和钨的高温强度、强抗电弧烧蚀性能,使得其具有良好的耐电弧侵蚀、抗熔焊和高强度等优点,这使得W-Cu 复合材料被广泛应用到电力、电子、机械和冶金等行业领域,尤其是在各类高压电器开关的电触头方面有着重要的应用。李瑞迪等对激光选区熔化成形W-Cu 复合材料工艺进行了研究。结果表明,由于Cu 的导热率较高,很难形成较高的温度场,同时,由于W、Cu两相熔点相差较大,成形W-Cu 复合材料主要是通过液相烧结实现,即通过液相Cu 将钨骨架粘结实现致密化。戴冬华等模拟了激光选区熔化成形W-Cu 复合材料过程中熔池的温度场与速度场,研究了W粉末颗粒在Cu 熔液中的受力情况和致密化过程。研究指出,随激光功率由600W增至900W,熔池内Marangoni 流特征变化明显,激光功率大于800W时,粉末周围会形成由压强差所引起的压力F和二次流。当压力F与二次流产生的引力FR之间的夹角为锐角时,W颗粒趋于形成小环状结构,颗粒重排困难,易于发生团聚曰而当压力F与二次流产生的引力FR 之间的夹角为钝角时,W颗粒趋于形成大环状结构,利于颗粒的重排。顾冬冬等采用激光选区熔化成形技术制备了W含量在30wt%~50wt%的一系列W-Cu复合材料。同时发现,在Cu含量达到40%时,在Marangoni气流和固相钨颗粒的重排作用下,可形成W环Cu芯的特殊显微结构。

5 在典型零件上的应用
        目前,增材制造钨零件在国际上已经有一定的应用。菲利浦公司下属企业,医疗成像零部件制造商SmitR-ntgen 进行了增材制造纯钨的系列产品开发。利用增材制造工艺在薄壁零件制备上的优势,SmitRntgen 利用激光选区熔化技术制备了纯钨针孔准直器,这给准直孔径角和形状带来极大的制造自由度。同时,由于增材制造工艺可以减少材料消耗,节省生产成本,与传统的金属铸造相比,能实现更为复杂的设计,做出传统技术无法实现的几何形状,Smit R-ntgen 还将增材制造技术应用于X 射线透视设备,如CT/PET/SPECT 上的高精度钨零部件的成形,这些钨零件结构自由且制造成本较低。同时,该公司也开始设计并生产了工业用的零部件,以精确高效地制造出高度复杂的3D打印凹面或支撑部件。

     另外,欧洲航天局也在伦敦科学博物馆启动的Amaze 展示了激光选区熔化工艺制造的可抵抗3000℃的钨合金部件。欧空局称,该部件可在核聚变反应堆和火箭喷嘴中工作。

6 结语
        目前,国内钨合金的增材制造工艺主要以激光作为能量源,在一定条件下可完全成形,但在成形过程中可能会出现样品致密度低、微观组织均匀性差和成分存在一定偏析等,试样性能得不到提升,还需要进行深入的成形工艺探究、加强工艺监控、改善复杂零件成形的几何精度。同时,可引入能量更高的增材制造工艺,如电子束选区熔化成形工艺,该工业也是一种典型的金属增材制造技术,其工作原理与激光选区熔化类似,但由于是采用高能电子束为能量源,且采用磁控偏转控制电子束,可更有效地提高成形能量和成形效率,同时避免成形件开裂,同时也是一种较为理想的成形方式。
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