Tungsten综述文章：钨的激光粉末床熔融制造研究

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摘要

钨及钨合金因其优良的强度、热导率以及抗辐照能力，被广泛应用于医疗，电子器件，核能等领域。然而钨的高熔点和高韧脆转变温度（ductile-to-brittle transition temperature, DBTT）使得采用传统加工方式难以对其复杂结构件进行成形。作为增材制造方式的一种，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）因其“高能量密度-低作用时间”的加工特性，在成形难熔金属及其合金方面具有优势，为钨等难熔合金的复杂结构成形提供了可能性，因此，近年来，钨的LPBF成形工艺及过程也受到了大量关注。

       近日，清华大学 刘伟教授团队在英文刊《Tungsten》上在线发表了题为“A Review of Tungsten fabricated via Laser Powder Bed Fusion”的综述文章。该文章围绕钨LPBF成形过程中的两个主要挑战：致密化和开裂问题，讨论了激光参数优化，粉体优化，控制氧含量，合金化等因素对孔洞和裂纹的影响。在文章的最后，作者对钨的LPBF成形过程中存在的问题进行了总结，并对未来该技术的进一步发展和可能的新研究方向进行了展望。

图文详情

1、钨的致密化问题

图1为发生球化现象的不致密钨的表面形貌。在LPBF成形过程中，熔滴铺展会与凝固过程相互竞争。钨具有高熔点、高热导率、高表面张力、高粘度等特性，因此纯钨的熔滴铺展过程较慢，凝固速度十分迅速，来不及铺展就快速凝固球化，并进一步影响后续铺粉和熔化凝固过程，进而导致成形后的钨部件内存在大量的残余孔洞。

因此，纯钨在LPBF成形过程中球化现象是导致其难以达到高致密度的最主要原因。研究发现，提高钨在LPBF成形致密度的主要方法有：优化工艺参数，采用球形钨粉，以及控制成形氧含量。

图1 LPBF钨中的球化现象 [1]

[1] Zhou X, et al. J Mater Process Technol. 2015;222:33.

2、钨的开裂问题

在LPBF成形中，会产生非常大的残余应力，对于钨而言其DBTT高达200℃-400 ℃。在LPBF成形冷却过程中不可避免的会历经这一韧脆转变过程，从而导致在冷却过程中产生微裂纹。由于氧杂质的存在，LPBF成形纯钨过程中会生成钨的氧化物，在高温的作用下氧化钨达到沸点形成大量纳米气泡聚集与于晶界处，并在后续过程中成为裂纹萌生源，同时促使裂纹沿晶扩展，如图2所示。

图2  LPBF纯钨中的微裂纹 [2]

[2] Wang D, et al. Mater Des. 2019;162:384.

为解决LPBF成形钨中的裂纹问题，研究者尝试了多种方法，比较有效的方法主要有调整工艺参数，合金化和后处理三种。

相比调整工艺参数，合金化是更为有效的抑制裂纹的方式。钨的合金化主要包括两种方式，一是利用弥散强化的原理，添加第二相颗粒，称之为非本征增韧，二是在纯钨中添加其他合金元素，形成固溶合金，称之为本征增韧。

与之对应的现有方法为在LPBF成形纯钨中分别添加ZrC和Ta，形成W-ZrC合金及W-Ta合金。合金化抑制裂纹的机理主要包括：1）细化晶粒；2）减少氧杂质；3）提高位错形核和开动的能力。图3展示了LPBF纯钨与钨钽合金中裂纹形貌的对比。

图3 裂纹在纯钨与钨钽合金中的分布 [2]

[2] Wang D, et al. Mater Des. 2019;162:384.

在热等静压过程中LPBF成形纯钨中的一部分裂纹可以发生机械弥合，因此在一定程度上减少了宏观裂纹和微观裂纹（如图4），同时对于提高LPBF成形纯钨的热导率具有较为显著的作用。

图4 热等静压前后纯钨裂纹形貌的对比 [3]

[3] Chen J, et al. Int J Refract Met Hard Mater. 2020;87:105135.

总结与展望

近几年，相关方向的研究结果使LPBF技术在成形纯钨及其合金方面得到了很大的发展和进步，但仍然存在着目前无法解决的问题。

其中最为主要的就是LPBF成形钨部件中的微裂纹缺陷，经过多种尝试，仍然无法彻底解决。但已有研究结果仍然给后续研究提供了方向，例如i)韧脆转变是导致开裂的最根本原因，因此如何降低韧脆转变温度是关键，ii）晶界是整个体系中最薄弱的环节，通过减少体系内氧含量等方法增加晶界强度是有必要的，iii）增加基体的抗塑性变形能力，增加裂纹扩展阻力也是有效方法之一。

iv）减小凝固过程中的温度梯度，降低凝固速率。受限于原始粉体制备、成形性等问题，目前已有研究中LPBF成形纯钨的合金化范围非常有限，仅有少量涉及添加Ta和ZrC的相关报道。未来应该尝试更多的可能性，综合考虑抑制裂纹的各个因素，解决LPBF成形钨中的裂纹问题并非不可能。

引用

Li KL, Chen JH, Zhao CC, Shen ZJ, Liu W. A review of tungsten fabricated via laser powder bed fusion. Tungsten. 2021; 3(2): 218-233.

全文链接

https://doi.org/10.1007/s42864-021-00089-3

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：赵聪聪。

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专刊介绍

作者简介

刘伟

刘伟，清华大学教授，主要研究方向新能源用金属材料及增材制造。近年来，主要从事核电材料、氢同位素与材料的相互作用和高性能氢同位素储存材料，以及金属材料的增材制造的研究。先后主持多项相关的科研项目，包括自然科学基金项目、973计划专项项目、国际合作项目，以及军工973项目。在国内外学术杂志上发表SCI收录的论文150余篇，获得发明专利多项。

在学科平台建设方面，联合中广核工程公司、工程物理研究院材料所，在清华大学创立核电材料及服役安全联合实验室。得到深圳市政府支持，成立核电材料及服役安全深圳市工程实验室。研制出的中子吸收材料已经产业化，用于乏燃料储存，并获2018年中机联科技进步一等奖。

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