CN114941096B - 一种适用于增材制造的钨基合金及其制备方法 - Google Patents

一种适用于增材制造的钨基合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于增材制造的钨基合金，包括主体元素钨和ZrC‑TaC系纳米粒子或者HfC‑TaC系纳米粒子，适用于基于粉末床的金属材料高能束增材制造过程；本发明还公开了钨基合金的制备方法：一、球形钨粉和纳米粒子混匀得到混合粉末；二、将混合粉末铺设成铺粉层进行高温加热脱氧脱碳；三、熔化铺粉层得到单层实体片层并下降成形底板；四、重复上述工艺得到钨基合金。本发明针对熔化‑凝固过程中的形核过程采用纳米粒子控制减小界面形核能，提高了凝固过程中的形核率，有效细化晶粒，改善了增材制造钨基合金的组织粗大及成形开裂问题；本发明通过高温加热脱氧脱碳降低了间隙元素C、O的含量，提高了纳米粒子的形核率。

Description

一种适用于增材制造的钨基合金及其制备方法
技术领域
本发明属于难熔金属材料及其制备领域，具体涉及一种适用于增材制造的钨基合金及其制备方法。
背景技术
钨基材料具有熔点高、高温强度高、蒸汽压低、膨胀系数低以及耐蚀性好等一系列优良特性，广泛应用于武器装备、医疗器械、通讯发射装备等领域。增材制造技术的发展，为难熔金属材料复杂构件的成形提供了一个有效途径。但是由于钨基材料熔点较高且钨的导热性较好，成形腔内温度较高且热传导显著，增材制造过程在外延生长的作用下通常会形成粗大组织、柱状晶组织。成分调整是增材制造组织调控的一个主要方式，有研究表明通过Ta元素的添加，可以捕捉W中的O元素，成形过程中原位形成Ta的氧化物，作为形核质点细化晶粒。同时，Ta元素的添加还可以在晶粒内部形成亚微米级的胞状结构，这种胞状结构内部含有大量位错，可以捕获纳米小孔，并且对晶界起到一定增韧作用。通过添加氧化物，也可以产生类似的作用，ZrO2,Y2O3,La2O3,CeO2都曾作为添加元素用于调控增材制造钨基材料的显微组织，研究表明，因为熔点的差别ZrO2,Y2O3的效果略优于La2O3,CeO2。但是，以上成份多是参考传统粉末冶金钨基材料中常用的晶粒细化元素，而增材制造过程与传统粉末冶金过程存在显著的差距：粉末冶金产品制备过程中利用颗粒间的扩散作用实现产品的致密化，成形过程中温度低，而增材制造过程是利用高能束流将钨基材料粉末完全熔化。由于钨的熔点较高，成形过程中熔池温度均高达3500℃以上，已高于现在的所有氧化物的熔点，严重影响氧化物质点在熔凝过程中的稳定性及存在形式，所以组织调控的效果有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于增材制造的钨基合金。该钨基合金采用ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子作为形核质点，针对钨基合金增材制造熔化-凝固过程中的形核过程，利用纳米粒子的热稳定性使其被生长的晶核润湿，控制减小界面形核能，提高了凝固过程中的形核率，从而有效细化晶粒，改善了增材制造钨基合金的组织粗大及成形开裂问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，该钨基合金包括主体元素钨和纳米粒子，所述纳米粒子为ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子，所述钨基合金适用于基于粉末床的金属材料高能束增材制造过程。
本发明的钨基合金中在主体元素钨中加入纳米粒子，采用ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子作为形核质点，由于这两种形核质点成分中的ZrC、TaC和HfC具有很高的硬度和优异的弹性模量，能够很好地抵抗化学腐蚀、烧蚀以及热冲击，且均具有相同的体心立方结构,理论上能够无限固溶形成固溶体，固溶体具有良好的热稳定性和高的熔点，这两种形核质点的熔点均高于3600℃，高于钨基材料的熔点，因此，在增材制造过程中，ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子进入钨基材料形成的高温熔池内并在熔体中稳定存在，作为形核质点被熔体生长中的晶核润湿，控制了界面形核能，使得界面形核能减小，提高了凝固过程中的形核率，从而有效细化晶粒，避免形成粗大组织、柱状晶组织，实现了对钨基合金组织的调控效果，改善了增材制造钨基合金的组织粗大及成形开裂问题。
上述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，所述ZrC-TaC系纳米粒子为Zr、Ta、C三种元素形成的完全固溶体，成分为ZrC-(2-8)TaC。
上述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，所述HfC-TaC系纳米粒子为Ta、Hf、C三种元素形成的完全固溶体，成分为HfC-(3-5)TaC。
本发明通过对两种纳米粒子的成分限定，保证了对应纳米粒子的熔点高于钨的熔点，从而在钨熔体中稳定存在，发挥形核质点的作用。
上述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，所述基于粉末床的金属材料高能束增材制造过程为激光选区熔化成形或电子束选区熔化成形。
另外，本发明还提供了一种制备如上述的适用于增材制造的钨基合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将球形钨粉和纳米粒子原料置于V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；
步骤二、将步骤一中得到的混合粉末加入到增材制造的成形设备中，通过成形设备的铺粉机构在成形底板上铺设混合粉末，形成铺粉层，然后采用高能束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，同时采用非接触式测温方法对铺粉层的温度进行监测；
步骤三、继续采用高能束流对步骤二中经高温加热脱氧脱碳处理后的铺粉层进行熔化，同时采用非接触式测温方法对铺粉层熔化表面的温度进行监测，得到单层实体片层，然后将成形底板下降，且下降高度与步骤二中形成的铺粉层的厚度相同；
步骤四、依次重复步骤二中的铺粉工艺、高温加热脱氧脱碳处理工艺和步骤三中的熔化工艺、成形底板下降工艺，使得单层实体片层逐渐累积，形成成形件，即得到钨基合金。
本发明以球形钨粉和纳米粒子为原料，采用增材制造方法成形制备钨基合金，该成形过程中通过先采用高能束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，使得间隙元素C、O转化为气体逸出，通过成形过程中气氛控制调节间隙元素含量，有效降低了铺粉层原料中间隙元素C、O的含量，一方面避免了游离C的共晶反应，由于基于粉末床的金属材料高能束增材制造过程是粉体熔化后逐点逐线逐层累加的过程，细小熔池熔道的温度较高，在周围形成热影响区，游离C共晶反应生成的低熔点的共晶相在热影响区的作用下变为少量液相，在应力较大时液膜被撕裂开，形成裂纹，因此，本发明通过避免游离C的共晶反应，进而避免了钨基合金中产生裂纹缺陷；另一方面避免了O在晶核表面形成氧化膜、削弱晶核对纳米粒子形核质点的润湿性效果，进而避免了氧化膜对纳米粒子形核质点的抑制作用，提高了纳米粒子在钨基合金中的形核率。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述球形钨粉的粒度为30μm～150μm，纳米粒子的粒度为10nm～2000nm，所述混合粉末中纳米粒子的质量含量为0.5％～2％。本发明通过对球形钨粉和纳米粒子的粒度进行限定，保证了铺粉过程的顺利进行，且熔化时形成的熔池深度足够熔化球形钨粉，保证增材制造过程的顺利进行；同时，本发明通过控制混合粉末中纳米粒子的质量含量，在保证纳米粒子热稳定性的同时控制了形核率。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述高温加热脱氧脱碳处理的温度为400℃～600℃。该温度保证了铺粉层中吸附型的C和O能够脱离混合粉末表面并顺利逸出，同时避免了温度过高对混合粉末后续熔化过程的不良影响。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述熔化的温度为3500℃～3800℃。该熔化温度保证了铺粉层中球形钨粉的完全熔化，同时避免熔化温度过高导致纳米粒子熔化、无法发挥形核质点的作用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的钨基合金采用ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子作为形核质点，针对钨基合金增材制造熔化-凝固过程中的形核过程，利用纳米粒子的热稳定性使其被生长的晶核润湿，控制减小界面形核能，提高了凝固过程中的形核率，从而有效细化晶粒，改善了增材制造钨基合金的组织粗大及成形开裂问题。
2、本发明采用的形核质点ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子中的组分ZrC、TaC和HfC具有相同的体心立方结构，能够无限固溶形成高熔点、高热稳定性的固溶体，大大提高了增材制造过程中形核质点的稳定性，有利于进一步提高形核率。
3、本发明的增材制造过程中通过预先采用高能束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，有效降低了铺粉层原料中间隙元素C、O的含量，避免了游离C的共晶反应以及O在晶核表面形成的氧化膜对纳米粒子形核质点的抑制作用，提高了纳米粒子在钨基合金中的形核率。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的钨基合金的显微组织图。
图2为本发明对比例1制备的钨材料的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的适用于增材制造的钨基合金包括主体元素钨和ZrC-TaC系纳米粒子，所述ZrC-TaC系纳米粒子为Zr、Ta、C三种元素形成的完全固溶体，成分为ZrC-2TaC。
本实施例的适用于增材制造的钨基合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将球形钨粉和ZrC-2TaC纳米粒子原料置于V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述球形钨粉的粒度为30μm～150μm，纳米粒子的粒度为10nm～2000nm，所述混合粉末中纳米粒子的质量含量为0.5％；
步骤二、将步骤一中得到的混合粉末加入到粉床电子束增材制造的成形设备中，通过成形设备的铺粉机构在成形底板上铺设混合粉末，形成铺粉层，然后采用电子束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层的温度进行监测，保证铺粉层的高温加热脱氧脱碳处理的温度为400℃～600℃；
步骤三、继续采用电子束流对步骤二中经高温加热脱氧脱碳处理后的铺粉层进行熔化，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层熔化表面的温度进行监测，保证铺粉层熔化表面的温度为3500℃～3800℃，得到单层实体片层，然后将成形底板下降，且下降高度与步骤二中形成的铺粉层的厚度相同；
步骤四、依次重复步骤二中的铺粉工艺、高温加热脱氧脱碳处理工艺和步骤三中的熔化工艺、成形底板下降工艺，使得单层实体片层逐渐累积，形成成形件，即得到钨基合金。
本实施例的粉床电子束增材制造还可替换为粉床激光增材制造，对应采用的高能束流为激光。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处为：本对比例的钨材料由金属元素钨组成，且钨材料的制备过程中，步骤一中无需混合工艺。
图1为本发明实施例1制备的钨基合金的显微组织图，从图1可以看出，钨基合金中没有粗大柱状晶组织，晶粒得到细化，且没有产生孔洞缺陷和裂纹。
图2为本发明对比例1制备的钨材料的显微组织图，从图2可以看出，由于成形过程中显著的热传导作用，该钨材料中形成了粗大的柱状晶组织，该类型的显微组织会降低钨材料的力学性能，并导致钨材料的力学性能存在明显的各向异性。
将图1与图2进行比较可知，本发明通过在钨基合金中加入纳米粒子作为形核质点，提高了凝固过程中的形核率，从而有效细化晶粒，改善了增材制造钨基合金的组织粗大及成形开裂问题。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处为：钨基合金的制备过程中，步骤二中形成铺粉层后未进行高温加热脱氧脱碳处理，对应步骤三中采用电子束流直接对铺粉层进行熔化。
经检测，本对比例制备的钨基合金中由于加入纳米粒子作为形核质点提高形核率，有效细化了晶粒，弱化了粗大的柱状晶组织。
将对比例2制备的钨基合金与实施例1的钨基合金进行比较可知，由于对比例2未预先对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，熔化成形过程中铺粉层中的O、C元素在晶界聚集，导致生成氧化物挥发并形成低熔点共晶相，引起钨基合金中产生孔洞和开裂现象。
实施例2
本实施例的适用于增材制造的钨基合金包括主体元素钨和ZrC-TaC系纳米粒子，所述ZrC-TaC系纳米粒子为Zr、Ta、C三种元素形成的完全固溶体，成分为ZrC-8TaC。
本实施例的适用于增材制造的钨基合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将球形钨粉和ZrC-8TaC纳米粒子原料置于V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述球形钨粉的粒度为30μm～150μm，纳米粒子的粒度为10nm～2000nm，所述混合粉末中纳米粒子的质量含量为2％；
步骤二、将步骤一中得到的混合粉末加入到粉床电子束增材制造的成形设备中，通过成形设备的铺粉机构在成形底板上铺设混合粉末，形成铺粉层，然后采用电子束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层的温度进行监测，保证铺粉层的高温加热脱氧脱碳处理的温度为400℃～600℃；
步骤三、继续采用电子束流对步骤二中经高温加热脱氧脱碳处理后的铺粉层进行熔化，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层熔化表面的温度进行监测，保证铺粉层熔化表面的温度为3500℃～3800℃，得到单层实体片层，然后将成形底板下降，且下降高度与步骤二中形成的铺粉层的厚度相同；
步骤四、依次重复步骤二中的铺粉工艺、高温加热脱氧脱碳处理工艺和步骤三中的熔化工艺、成形底板下降工艺，使得单层实体片层逐渐累积，形成成形件，即得到钨基合金。
经检测，本实施例得到的钨基合金中没有粗大柱状晶组织，晶粒得到细化，且没有产生孔洞缺陷和裂纹。
本实施例的粉床电子束增材制造还可替换为粉床激光增材制造，对应采用的高能束流为激光。
实施例3
本实施例的适用于增材制造的钨基合金包括主体元素钨和HfC-TaC系纳米粒子，所述HfC-TaC系纳米粒子为Hf、Ta、C三种元素形成的完全固溶体，成分为HfC-3TaC。
本实施例的适用于增材制造的钨基合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将球形钨粉和HfC-3TaC纳米粒子原料置于V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述球形钨粉的粒度为30μm～150μm，纳米粒子的粒度为10nm～2000nm，所述混合粉末中纳米粒子的质量含量为0.5％；
步骤二、将步骤一中得到的混合粉末加入到粉床电子束增材制造的成形设备中，通过成形设备的铺粉机构在成形底板上铺设混合粉末，形成铺粉层，然后采用电子束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层的温度进行监测，保证铺粉层的高温加热脱氧脱碳处理的温度为400℃～600℃；
步骤三、继续采用电子束流对步骤二中经高温加热脱氧脱碳处理后的铺粉层进行熔化，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层熔化表面的温度进行监测，保证铺粉层熔化表面的温度为3500℃～3800℃，得到单层实体片层，然后将成形底板下降，且下降高度与步骤二中形成的铺粉层的厚度相同；
步骤四、依次重复步骤二中的铺粉工艺、高温加热脱氧脱碳处理工艺和步骤三中的熔化工艺、成形底板下降工艺，使得单层实体片层逐渐累积，形成成形件，即得到钨基合金。
经检测，本实施例得到的钨基合金中没有粗大柱状晶组织，晶粒得到细化，且没有产生孔洞缺陷和裂纹。
本实施例的粉床电子束增材制造还可替换为粉床激光增材制造，对应采用的高能束流为激光。
实施例4
本实施例的适用于增材制造的钨基合金包括主体元素钨和HfC-TaC系纳米粒子，所述HfC-TaC系纳米粒子为Hf、Ta、C三种元素形成的完全固溶体，成分为HfC-5TaC。
本实施例的适用于增材制造的钨基合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将球形钨粉和HfC-5TaC纳米粒子原料置于V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述球形钨粉的粒度为30μm～150μm，纳米粒子的粒度为10nm～2000nm，所述混合粉末中纳米粒子的质量含量为2％；
步骤二、将步骤一中得到的混合粉末加入到粉床电子束增材制造的成形设备中，通过成形设备的铺粉机构在成形底板上铺设混合粉末，形成铺粉层，然后采用电子束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层的温度进行监测，保证铺粉层的高温加热脱氧脱碳处理的温度为400℃～600℃；
步骤三、继续采用电子束流对步骤二中经高温加热脱氧脱碳处理后的铺粉层进行熔化，同时采用红外热像仪进行非接触式测温对铺粉层熔化表面的温度进行监测，保证铺粉层熔化表面的温度为3500℃～3800℃，得到单层实体片层，然后将成形底板下降，且下降高度与步骤二中形成的铺粉层的厚度相同；
步骤四、依次重复步骤二中的铺粉工艺、高温加热脱氧脱碳处理工艺和步骤三中的熔化工艺、成形底板下降工艺，使得单层实体片层逐渐累积，形成成形件，即得到钨基合金。
经检测，本实施例得到的钨基合金中没有粗大柱状晶组织，晶粒得到细化，且没有产生孔洞缺陷和裂纹。
本实施例的粉床电子束增材制造还可替换为粉床激光增材制造，对应采用的高能束流为激光。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，该钨基合金包括主体元素钨和纳米粒子，所述纳米粒子为ZrC-TaC系纳米粒子或者HfC-TaC系纳米粒子，所述钨基合金适用于基于粉末床的金属材料高能束增材制造过程；该钨基合金由包括以下步骤的方法制备得到：
步骤一、将球形钨粉和纳米粒子原料置于V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中纳米粒子的质量含量为0.5%~2%；
步骤二、将步骤一中得到的混合粉末加入到增材制造的成形设备中，通过成形设备的铺粉机构在成形底板上铺设混合粉末，形成铺粉层，然后采用高能束流对铺粉层进行高温加热脱氧脱碳处理，同时采用非接触式测温方法对铺粉层的温度进行监测；
步骤三、继续采用高能束流对步骤二中经高温加热脱氧脱碳处理后的铺粉层进行熔化，同时采用非接触式测温方法对铺粉层熔化表面的温度进行监测，得到单层实体片层，然后将成形底板下降，且下降高度与步骤二中形成的铺粉层的厚度相同；
步骤四、依次重复步骤二中的铺粉工艺、高温加热脱氧脱碳处理工艺和步骤三中的熔化工艺、成形底板下降工艺，使得单层实体片层逐渐累积，形成成形件，即得到钨基合金。
2.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，所述ZrC-TaC系纳米粒子为Zr、Ta、C三种元素形成的完全固溶体，成分为ZrC-(2-8)TaC。
3.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，所述HfC-TaC系纳米粒子为Ta、Hf、C三种元素形成的完全固溶体，成分为HfC-(3-5)TaC。
4.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，所述基于粉末床的金属材料高能束增材制造过程为激光选区熔化成形或电子束选区熔化成形。
5.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，步骤一中所述球形钨粉的粒度为30μm~150μm。
6.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，步骤二中所述高温加热脱氧脱碳处理的温度为400℃~600℃。
7.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的钨基合金，其特征在于，步骤三中所述熔化的温度为3500℃~3800℃。
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