鎢及鎢合金的選擇性激光熔化過程中微觀組織演化研究.pdf

1、難熔金屬及其合金具有熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高、低蒸汽壓、低的膨脹系數(shù)以及在許多介質(zhì)中的耐蝕性好等一系列優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于武器裝備、醫(yī)療器械和通訊發(fā)射裝備等領(lǐng)域。但是難熔金屬的成形性能差，限制了其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。目前，難熔金屬大多采用粉末冶金成形，這種成形工藝需要昂貴的工裝模具、工藝過程復(fù)雜，難以成形三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。因此，開發(fā)難熔金屬的先進(jìn)成形技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)之一。選擇性激光熔化成形作為一種新型的成形技術(shù)具有制造過程柔性程度高、所制造的

2、零件具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)性能、可實(shí)現(xiàn)組分連續(xù)變化的梯度功能材料的制造、產(chǎn)品的尺寸大小和復(fù)雜程度對加工難度影響很小等特點(diǎn)，因此，選擇性激光熔化成形技術(shù)在難熔金屬成形中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文以難熔金屬鎢及鎢合金為研究對象，采用選擇性激光熔化成形技術(shù)制備鎢及鎢合金試樣，系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)（激光功率、掃描層厚、掃描速度、掃描間隔等）對鎢及鎢合金成形性和微觀組織的影響；探討了激光熔凝過程中的組織轉(zhuǎn)變和生長機(jī)理。通過強(qiáng)化燒結(jié)

3、改善鎢及鎢合金的成形性能，研究了添加稀土氧化物對鎢合金微觀組織的影響及其作用機(jī)制。此外，探索了難熔金屬M(fèi)o和Nb的選擇性激光熔化成形工藝。取得了如下研究結(jié)果：
　　 采用選擇性激光熔化成形了純W的試樣，成形過程在高能量密度的激光束作用下發(fā)生了部分顆粒的熔化，其成形機(jī)制為液相燒結(jié)機(jī)制。激光熔化-凝固成形純W試樣表面燒結(jié)道出現(xiàn)了擇優(yōu)取向生長的針狀組織，隨著激光功率的增加針狀組織尺寸逐漸減小。燒結(jié)試樣的顯微硬度值隨掃描層數(shù)的增加呈下降

4、趨勢，當(dāng)掃描層厚由第一層增加至第六層時(shí)，試樣的顯微硬度由826HV降低為353HV。
　　 研究了添加Ni對W基金屬粉末激光熔化成形的影響規(guī)律。結(jié)果表明，選擇性激光熔化W-Ni合金的成形機(jī)制為激光能量輸入引起Ni顆粒及部分W顆粒熔化-凝固粘結(jié)未熔W顆粒的液相燒結(jié)過程。在相同激光作用條件下，Ni含量為10wt.％、20wt.％、40wt.％的燒結(jié)試樣的微觀組織分別為條狀、枝晶狀和蜂窩狀，Ni含量的增加能有效降低熔體粘度，提高燒結(jié)體

5、組織的均勻性。
　　 在分析W-Ni合金燒結(jié)試樣顯微硬度變化的基礎(chǔ)上，考慮由于松散粉末收縮引起的實(shí)際粉層變化，建立了粉層收縮模型?；谠撃Ｐ偷姆治霭l(fā)現(xiàn)，成形過程中實(shí)際粉層厚度隨加工層數(shù)的變化在開始5層內(nèi)的變化劇烈；隨著加工層數(shù)的增加，粉末的實(shí)際厚度趨于定值，這個(gè)值可以由切片厚度和相對松裝密度的比值來確定。
　　 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立W-Ni-Cu合金選擇性激光熔化成形的工藝窗口?；谠摴に嚧翱谶x擇工藝參數(shù)，成形的W-Ni-C

6、u合金零件表面平整、沒有明顯的裂紋與孔洞缺陷。在較高的激光能量輸入時(shí)，W-Ni-Cu合金的成形機(jī)制由傳統(tǒng)的液相燒結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橐合酂Y(jié)與W顆粒熔化/凝固的綜合作用機(jī)制。
　　 研究了稀土氧化物對鎢基合金的選擇性激光熔化成形的影響。結(jié)果表明，在W-Ni-Cu合金中添加1.0wt.％La2O3，具有改善固液潤濕性、提高形核率、細(xì)化晶粒和凈化晶界的作用，并能抑制微裂紋的形成，顯著改善W-Ni-Cu合金粉體激光熔化成形性能、提高燒結(jié)體的顯微硬

7、度。
　　 采用有限元法建立了選擇性激光熔化成形過程溫度場的三維模型。以90W-7Ni-3Fe合金體系為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究獲得了不同工藝參數(shù)下溫度場的變化及燒結(jié)體的組織演變規(guī)律與成形機(jī)制。在激光功率一定時(shí)，當(dāng)掃描速度較高（110mm/s）時(shí)，W-Ni-Fe合金的組織為液相凝固粘結(jié)未熔化顆粒，其成形機(jī)制為液相燒結(jié)。隨著掃描速度的減小，組織中的枝晶逐漸增加，說明熔池溫度升高，鎢顆粒發(fā)生了熔化。當(dāng)掃描速度為20mm/s，掃描間隔為0.0