选区激光熔化高比重钨合金微观组织形成机制

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钨合金是典型的难熔合金,高密度、高强度、抗腐蚀性好及优秀的射线吸收能力使得其在航空航天、国防工业、海洋产业以及医疗行业等众多领域得到了广泛的应用。传统粉末冶金是最常见的钨合金制备方法,但其在加工复杂结构件时存在工艺繁琐的问题,而激光增材制造能够完成三维模型的直接成型,实现无模具制造,铝合金、钛合金等金属材料的增材制造工艺已经成为研究热点。但目前激光增材制造钨合金相关研究较少,对于制造出的钨合金微观组织的形成机制暂无明确解释。同时,增材制造钨合金仍然存在塑性较差的问题,这极大地限制了钨合金在增材制造领域的应用范围。本文以W-Ni-Fe合金为例,主要研究工艺参数、粘结相掺杂量和热处理对选区激光熔化制造的钨合金的影响。通过优化加工工艺参数,以期制备出高致密、无缺陷的钨合金试样。本研究采用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背向散射衍射等分析手段对选区激光熔化钨合金微观形貌及晶粒取向进行了表征,分析了钨合金典型微观组织的形成机制。对最优工艺参数下制备的80W-14Ni-6Fe合金进行拉伸试验,研究了选区激光熔化钨合金的力学性能及断裂失效机制。通过改变粘结相的掺杂量,对选区激光熔化90W-7Ni-3Fe进行了研究,并将其与80W-14Ni-6Fe合金进行了对比,明晰了Ni、Fe掺杂量对钨合金微观组织的影响。为提升增材制造钨合金的韧性,对钨合金的热处理工艺进行了探索。本文的主要研究结果如下:(1)选区激光熔化钨合金致密化机理及微观组织形成机制。选区激光熔化80W-14Ni-6Fe合金的激光能量密度范围为80J/mm~3-100J/mm~3。随着激光能量密度密度的增大,80W合金的致密度先增大,后减小,最后趋于稳定。当激光能量密度为93.33 J/mm~3时,80W合金的致密化程度最高。选区激光熔化钨合金的致密化机制包括钨颗粒的部分熔化和液相烧结。选区激光熔化钨合金的典型微观组织包括钨晶粒合并、钨枝晶、超细晶、钨颗粒和γ-(Ni-Fe)粘结相。典型凝固组织的形成与钨颗粒的部分熔化有关。(2)Ni、Fe掺杂量对选区激光熔化钨合金微观组织及力学性能的影响。通过减少镍铁的掺杂量,采用选区激光熔化制备了90W-7Ni-3Fe合金试样。当激光能量密度过大时,90W合金试样受热应力的影响会发生翘曲现象,同时产生大量裂纹,微裂纹主要形成方式有失塑裂纹和凝固裂纹。90W合金的最佳工艺参数范围为119.05 J/mm~3-128.21 J/mm~3,最高致密度可达95.6%。(3)选区激光熔化钨合金热处理工艺的探索。本研究为SLM 80W合金设计了两种热处理工艺,分别为1400℃退火2h和1400℃退火4h。结果表明两小时退火处理能够有效溶解钨晶粒合并,形成更多的球形钨颗粒。而四小时退火处理后的钨合金试样与沉积态相类似,出现大量的钨晶粒合并。经过两种退火处理后的80W合金抗拉强度与塑性变化不大。
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