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《Scripta Mater》:99.1%!相对密度的最高报道值
2022-04-15 648


钨由于其极高的熔点(3422)和低热膨胀系数,即使在超高温下也具有极高的形状稳定性,因此已被广泛应用于航天、医药、核工业等领域。钨具有体心立方(BCC)结构,其抗辐射损伤能力取决于晶面,其中{011}的抗辐射能力高于{100}{111}。晶体定向控制使钨具有很高的功能性。目前粉末冶金技术并不适合生产形状复杂、晶体组织受控的钨制品。钨具有高延性,脆性转变温度(DBTT)200-400℃。晶界特征分布对强度、延性、开裂均有显著影响。钨的高DBTT使其在室温下沿大角度晶界(HAGBs)萌生裂纹和扩展,这限制了其高密度制造的能力。突出晶体结构的微结构,如单晶结构,可以消除大角度晶界。因此,为了致密化钨件,促进其工业应用,需要控制晶体织构。激光粉床融合技术(LPBF)可以将几何形状复杂、密度高的零件加工成网状结构,通过LPBF控制钨晶体结构是一个挑战。

日本大阪大学的研究人员通过优化激光条件,尝试了纯钨的致密化和晶体织构控制,以克服晶界的脆性。使用激光粉末床熔合 (LPBF) 成功地获得首个显著的钨晶体织构。成功地制造了几乎完全致密的纯钨零件,其相对密度为99.1%,这是尚未见报道的最高值。相关论文以题为“Single crystalline-like crystallographic texture formation of puretungsten through laser powder bed fusion”发表在Scripta Materialia


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采用电感耦合等离子体制备纯度为99.9%的球形钨粉,平均粉末粒度为27.4μm,采用LPBF制备了尺寸为5 mm×5 mm×10 mm试样,激光功率为360 W,扫描速度为600-1200 mm/s,扫描间距为40-100μm,层厚为20μm

 

研究发现在激光辐照过程中,由于钨具有极高的熔点,导热系数影响散热效果,对熔池的形状造成了极大的影响,LPBF工艺下钨形成单晶状织构的机理与众不同,在钨中,沿XY平面x方向的45°<100>生长控制了织构的形成,其中<011>沿x和y方向取向。在钛合金中,45°<100>在YZ平面上沿z方向生长,是织构形成的主要方向,其中<011>沿y和z方向择优生长。这些不同取向的形成是由熔池的形状决定的,而熔池的形状在很大程度上取决于材料的热物理性质。在任何一种情况下,驱动力都可能减少熔池中心的晶体取向偏差,导致熔池左右两半的凝固前沿在这里相遇。

 

1 不同方向的IPF图


图2钨和钛合金的温度分布、熔池形状以及温度和冷却速率随时间的变化

 

图3 钨的热流方向、IPF图以及晶界特征分布

 

图4 钨与钛合金熔池示意图

 

综上所述,本研究提出了一种新的基于LPBF的织构控制方法。此外,通过改变工艺参数和/或材料,有望获得一种新型的单晶状织构,可以通过数值模拟进行预测和讨论。如果讨论的主题是熔池形状或凝固行为的微小差异,则需要更严格的模拟,需要考虑粉末床的导热性、热物理性质的温度依赖性,还有对流。本文为材料织构控制提供了理论依据。(文:破风)


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关键词:密度
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