選擇性激光熔化制備純鎢的性能研究
發(fā)布時(shí)間:
2025-01-23
鎢是難熔金屬，具有硬度高、強(qiáng)度高以及良好的導(dǎo)電性和抗腐蝕性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、醫(yī)療裝置等領(lǐng)域[1-2]。鎢，可以以銅作為粘結(jié)相制備成鎢銅復(fù)合材料，應(yīng)用于電子封裝、電觸頭材料、電加工電極、耐高溫材料等領(lǐng)域[3-7]。由于鎢的熔點(diǎn)較高，鎢制品大多是通過粉末冶金法(PM)[8]、金屬注射成型法(MIM)[9]或者放電等離子燒結(jié)(SPS)[10]等方法來制備。然而，這些方法在成形具有復(fù)雜三維設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)零器件方面有著明顯不足。
選擇性激光熔化技術(shù)(SLM)是3D打印的一種分類，它采用“增材制造”的設(shè)計(jì)理念為復(fù)雜精密零器件的制備提供了新的成形方法和工藝。它是以計(jì)算機(jī)CAD模型為依據(jù)，通過激光束選擇性地掃描金屬粉床，使選區(qū)內(nèi)的粉末在激光作用下迅速熔化并凝固，層層堆積形成所需的零件樣品。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，許多學(xué)者都開展了對(duì)鈦合金、不銹鋼和鎳基高溫合金復(fù)雜零件制備的研究[11]。
由于鎢的熔點(diǎn)高，對(duì)激光發(fā)射功率要求較高，且純鎢熔化后液態(tài)表面張力大，導(dǎo)致其在激光熔化后的鋪展性能差，使鎢在凝固過程中會(huì)產(chǎn)生球化問題，從而導(dǎo)致SLM成形的鎢樣品致密度不高，目前國內(nèi)外對(duì)于選擇性激光熔化制備純鎢樣品的研究較少。據(jù)相關(guān)報(bào)道，DanqingZhang等[12]通過調(diào)節(jié)選擇性激光熔化過程中的掃描參數(shù)，獲得了60%~82%相對(duì)密度的鎢樣品，并得到了鎢的納米細(xì)晶結(jié)構(gòu)；XinZhou等[13]分析了鎢在選擇性激光熔化中熔體鋪展和凝固的過程以及影響球化的因素，得到了相對(duì)密度82.9%的鎢樣品；周鑫等[14]研究了不同基板和掃描參數(shù)對(duì)選擇性激光熔化單層鎢粉的鋪展和凝固行為的影響，并對(duì)鋪展中產(chǎn)生的球化問題進(jìn)行了闡釋。但是對(duì)于SLM制備純鎢性能的研究較少，還有待深入。
本實(shí)驗(yàn)采用選擇性激光熔化技術(shù)對(duì)成形不同相對(duì)密度鎢樣品的制備工藝參數(shù)進(jìn)行探索，并對(duì)其經(jīng)過熱處理后的力學(xué)性能和顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和討論，為選擇性激光熔化制備純鎢樣品提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)采用的原料粉末為純度99.9%的W粉末，由自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司提供，為多邊形結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其粒度分布如下：D10，D50，D90分別為26.957，41.972，64.719μm(TopSizer激光粒度分析儀)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為FS271M，配備IPG500W光纖激光器，波長(zhǎng)1070nm，采用的是雙光斑，聚焦為68μm，離焦光斑為90μm，由湖南華曙高科技有限責(zé)任公司提供。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)對(duì)鎢粉進(jìn)行熔化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通入氬氣作為保護(hù)氣體，防止鎢粉被氧化。首先預(yù)設(shè)基板溫度為100℃,鋪粉滾輪將鎢粉均勻鋪展至成形缸；其次激光束按照計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的掃描路徑作用到成形缸，直至打印完本層信息；隨后成形缸下降一個(gè)層厚，重復(fù)上述步驟直至完成整個(gè)工件；最后通過線切割工藝使樣品脫離基板。在實(shí)驗(yàn)過程中固定掃描間距為240μm，層厚(鋪粉厚度)為150μm，通過改變激光功率和掃描速度兩個(gè)變量，制備出了不同相對(duì)密度的樣品。樣品尺寸為50mm×25mm×3mm，如圖2所示。將高相對(duì)密度的樣品分別在1000，1400，1960℃進(jìn)行保溫2h進(jìn)行熱處理。
使用Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡表征樣品表面形貌和微觀組織；使用AEL-200A密度計(jì)測(cè)試樣品密度，使用拉扭組合臺(tái)式疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS858測(cè)試樣品抗彎強(qiáng)度；使用圖像多功能分析數(shù)顯顯微硬度計(jì)MHVD-100IS測(cè)試樣品顯微硬度。
2 結(jié)果與分析
2.1 SLM樣品的顯微組織及力學(xué)性能分析
實(shí)驗(yàn)制備了相對(duì)密度為75%，80%，90%和95%左右的4種樣品，其SLM制備工藝參數(shù)如表1所示。
圖3和圖4分別為不同相對(duì)密度樣品的表面形貌組織，從圖3中可以看出，隨著相對(duì)密度的升高，未熔化的顆粒逐漸減少，掃描軌跡也逐漸清晰。如圖3a和3b所示，在相對(duì)密度75%、80%的樣品中，掃描道出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，其寬度也變窄；在相對(duì)密度75%的樣品中未形成直線狀的掃描軌跡。
在激光燒結(jié)過程中，Gu定義綜合參數(shù)LF描述輸入到熔化的粉末層的激光能量[15]：
LF = P/vh (1)
其中，P為激光功率，v為掃描速度，h為掃描間距。75%~95%相對(duì)密度下輸入的激光能量分別為1.36,1.67,2.5,6.25J/mm2。
從圖4a和4b也可以看出，掃描道出現(xiàn)了不連續(xù)的現(xiàn)象，這是由鎢熔體的流動(dòng)性減弱所導(dǎo)致的。低的LF激光能量，使熔池內(nèi)的溫度降低，表面張力提高。這將導(dǎo)致熔體的粘度升高，使得熔體的流動(dòng)性變差；同時(shí)在低能量下有較多的未熔化的鎢顆粒出現(xiàn)在熔體鋪展的前沿，進(jìn)一步阻礙熔體的流動(dòng)，使得熔體的鋪展更為困難，導(dǎo)致鎢在低密度下掃描道的寬度變窄。同時(shí)由于過快的掃描速度，導(dǎo)致了熔體冷卻速度增加。較快的凝固速度、較低的流動(dòng)性，使得掃描道出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，也降低了材料的相對(duì)密度。
從圖4看出，樣品表面有微裂紋的產(chǎn)生（圖中箭頭所示），但微裂紋不深，僅存在于樣品表層。這主要是由殘余熱應(yīng)力引起的，在較高的激光功率作用下，鎢顆粒迅速熔化并潤濕鋪展；但由于激光作用時(shí)間極短，樣品表面的凝固冷卻速度比樣品內(nèi)部更快，表面會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于鎢本身塑性較差，拉應(yīng)力超過了其強(qiáng)度極限，便產(chǎn)生了微裂紋。
圖5和圖6分別為不同相對(duì)密度樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)。由圖5可以看出，相對(duì)密度較高的樣品顯微組織呈放射狀間隔排列，放射狀區(qū)域內(nèi)鎢晶粒組織細(xì)??；而放射狀組織之間的晶粒組織較大，且經(jīng)測(cè)量放射狀組織間距約為240μm(圖中黑線標(biāo)出)，與激光掃描間距相同。激光光斑周圍形成一個(gè)類似圓形的熱輻射區(qū)，使得輻射區(qū)域內(nèi)的鎢熔化。為保證鋪粉層的表面全部經(jīng)過激光輻射作用，激光光斑每次輻射區(qū)邊緣部分重合，在輻射區(qū)重合區(qū)域內(nèi)鎢粉經(jīng)過二次激光光斑掃描，獲得能量更多，得到充分熔化，在快速冷卻作用下重合區(qū)域內(nèi)獲得細(xì)小的晶粒組織。重合區(qū)域經(jīng)過二次激光光斑掃描后溫度較其他區(qū)域更高，鎢熔體在凝固時(shí)將沿溫度梯度線向重合區(qū)域收縮，從而在該區(qū)域形成了放射狀組織。從圖5a可以看出相對(duì)密度較低的樣品未形成很清晰的間隔排列的放射狀顯微組織。這是由于在低的相對(duì)密度下，作用到粉層的激光能量小，熱輻射區(qū)域小，未熔化的鎢顆粒和孔隙在一定程度上阻礙了凝固的進(jìn)行，使得未形成高相對(duì)密度下連貫的放射狀顯微組織。
此外，圖5中還存在十分粗大的鎢晶粒組織。這些大“晶粒”其實(shí)是未完全充分熔化的鎢粉顆粒組織，由于激光掃描速度過快，區(qū)域熔池內(nèi)的溫度在達(dá)到鎢的熔化溫度后并沒有保持穩(wěn)定，溫度迅速降低，導(dǎo)致只有鎢顆粒邊界熔化，其內(nèi)部的晶粒并未完全熔化就開始凝固。因此，也就沒有了完全熔化凝固時(shí)形核長(zhǎng)大的過程，所以并未出現(xiàn)Takamichi，Li[16,17]和Zhang[12]的文獻(xiàn)中的枝晶組織。由圖6也可以看出，大“晶?！钡某叽缭?0到40μm之間，剛好為鎢粉尺寸分布的集中區(qū)域。其內(nèi)部包裹著細(xì)小的晶粒，也印證了鎢內(nèi)部晶粒未熔化。
不同相對(duì)密度樣品的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度如表2所示，其抗彎強(qiáng)度和硬度都隨著相對(duì)密度的提高而提高。相對(duì)密度75%左右的樣品在3N的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)力下即斷裂，可以認(rèn)為其抗彎強(qiáng)度極低。這是由于隨著相對(duì)密度的提高，樣品內(nèi)部的孔洞和裂紋逐漸減少。在低的相對(duì)密度下，如圖7所示，材料只是搭接成形，其內(nèi)部未熔化的鎢粉較多，導(dǎo)致在內(nèi)部形成了大量的孔洞，使得材料在受力時(shí)最先沿孔洞區(qū)域開裂，在75%的相對(duì)密度下，材料甚至不能承受實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)力。由圖5可知，隨著激光能量的增加，樣品的相對(duì)密度逐漸提高，內(nèi)部未熔化的顆粒逐漸減少，孔洞也隨之減少，組織結(jié)合的更好，其強(qiáng)度和硬度也就隨之提高。
2.2 不同熱處理SLM樣品的顯微組織及力學(xué)性能分析
為了釋放材料內(nèi)部應(yīng)力，探索不同熱處理溫度對(duì)SLM制備純鎢樣品性能的影響，實(shí)驗(yàn)選取了1000，1400℃和1960℃3個(gè)熱處理溫度。分別對(duì)SLM制得相對(duì)密度95%左右的樣品在3個(gè)溫度下保溫2h，其與未處理樣品的顯微組織如圖8所示。由圖可以看出，未處理的鎢樣品晶粒與經(jīng)過1000和1400℃處理后的鎢晶粒大小基本一致。而經(jīng)過1960℃熱處理后，其達(dá)到了鎢的燒結(jié)溫度，鎢晶粒較其他樣品發(fā)生了明顯的長(zhǎng)大。這是因?yàn)樵谶_(dá)到鎢的燒結(jié)溫度后，由于鎢為純金屬，其晶界處沒有第二相粒子的釘扎，會(huì)極易發(fā)生遷移，使得晶粒長(zhǎng)大[18]。
不同溫度熱處理樣品其抗彎性能和顯微硬度如圖9所示。隨著熱處理溫度的升高，抗彎強(qiáng)度與顯微硬度都是先增大后減小。這是由于經(jīng)1000和1400℃處理后，樣品因快速凝固時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得以消除。而在相同的保溫時(shí)長(zhǎng)下，較高溫度(1400℃)下殘余應(yīng)力更易消除，使得材料的力學(xué)性能較1000℃時(shí)提高。在1960℃下，鎢達(dá)到了燒結(jié)溫度，由于鎢在SLM制備中已經(jīng)熔化凝固，沒有了燒結(jié)過程中顆粒的重排以及燒結(jié)頸的形成和長(zhǎng)大的過程，如圖8d所示，只是使晶粒發(fā)生了長(zhǎng)大，使得材料的力學(xué)性能下降。
2.3 XRD物相分析
圖10為樣品的XRD圖譜，表3為其衍射峰值和半高寬值。其中，a、b、c分別為鎢粉、SLM成形相對(duì)密度95%的鎢樣品以及經(jīng)1960℃保溫2h后的鎢樣品。由表3可知，樣品與鎢標(biāo)準(zhǔn)峰2θ的偏差值在0.1°以內(nèi)，表明經(jīng)不同處理后鎢的晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。經(jīng)1960℃高溫?zé)Y(jié)處理后，其衍射峰的半高寬較未處理的樣品略有增大。從圖8d可以看出經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后的樣品晶粒發(fā)生了長(zhǎng)大的現(xiàn)象，但是由于晶粒的尺寸大于100nm，已經(jīng)達(dá)到微米級(jí)，謝樂公式D=Kλ/βcosθ已不再適用。由晶粒細(xì)化引起的半高寬的寬化已經(jīng)很小，此時(shí)的主要原因是微觀應(yīng)變。利用Jade軟件對(duì)全譜進(jìn)行擬合，得出a、b、c3個(gè)樣品的微觀應(yīng)變分別為0.007、0.145以及0.199。微觀應(yīng)變的增大，直接導(dǎo)致了衍射峰半高寬的寬化。經(jīng)1960℃處理的樣品在冷卻時(shí)由于冷卻速度較快，使得材料內(nèi)部的微觀應(yīng)力增大，導(dǎo)致了純鎢樣品燒結(jié)后衍射峰半高寬在晶粒增大的情況下仍然大于未燒結(jié)的樣品。
3 結(jié)論
1）通過不同激光掃描能量可以獲得相對(duì)密度75%-95%的純鎢樣品，樣品顯微組織呈放射狀間隔排列，放射狀區(qū)域內(nèi)鎢晶粒組織細(xì)小，在放射狀組織之間保留了粗大的鎢顆粒組織形貌。
2）隨著純鎢樣品的相對(duì)密度升高，其抗彎強(qiáng)度以及顯微硬度也逐漸提高。
3）SLM制備的高相對(duì)密度(95%)純鎢樣品經(jīng)1000、1400以及1960℃熱處理后，其抗彎強(qiáng)度以及顯微硬度隨著處理溫度的升高先增大后減小。在1400℃處理后抗彎強(qiáng)度和顯微硬度達(dá)到最高值，在1960℃晶粒發(fā)生明顯長(zhǎng)大，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低。
4）SLM成形純鎢樣品與經(jīng)過1960℃熱處理后樣品，其晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。
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