CN118080844A - 一种抑制含钨合金3d打印裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
一种抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，属于粉末冶金领域。所述的3D打印方法为激光粉床熔化，使用元素混合粉末或部分合金化的球磨粉末为原料。在打印过程中W元素部分熔化，而未熔部分嵌在基体中，从而显著改善添加W元素导致的合金低温脆性(韧脆转变温度相较于完全固溶的合金更低)，因此减少甚至抑制因打印过程急速冷却导致的含钨合金开裂现象。未熔化的W颗粒后续通过高温热处理使其扩散均匀。通过改变原料粉末中W的粒径分布或合金化程度，可以控制打印件中W元素的熔化程度，从而调整后续热处理的保温时间。本发明解决了含W合金，尤其是高W含量合金的3D打印开裂问题，结合后续热处理，从而实现3D打印制备高致密度高性能含钨合金。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体为一种抑制含钨合金3D打印裂纹的方法。尤其涉及一种通过使用钨(W)未完全合金化的原料粉末，通过3D打印成形W未完全合金化的打印件，从而抑制含钨合金的打印裂纹。后续通过高温热处理加速W元素扩散，最终得到元素均匀分布的含钨合金。
技术背景
铌(Nb)、钽(Ta)等难熔金属或(高熵)合金因其高熔点和优异的高温强度在航空航天工业中得到广泛应用。由于它们的熔点很高，通常采用粉末冶金技术制备。3D打印技术能够近净成形高性能、复杂形状的轻量化设计结构件，已成为难熔合金制备领域的研究热点。为了提高Nb、Ta等难熔合金的室温及高温强度，通常会加入一定含量的W作为固溶强化元素，W的高熔点(3410℃)和高弹性模量(411GPa)可以显著的强化合金，其低的自扩散系数同时一定程度地提高合金的抗高温氧化和抗腐蚀能力。但是，W元素的引入也不可避免的增加了合金的室温脆性，使合金的韧脆转变温度升高。对于极高冷速(104～106K/s)的3D打印方法来说，室温脆性的增加极大地加剧了合金凝固时的开裂倾向。因此，目前通过3D打印制备无裂纹、高致密度、高性能的含钨合金仍是业内亟需解决的难题。
发明内容
针对3D打印制备的含钨合金易出现裂纹而无法使用的问题，本发明从裂纹诱发的原理着手，通过使用W未完全合金化的原料粉末，将W元素固溶合金化而导致的合金室温脆性增加，与3D打印易诱发裂纹的急冷环境相分离，从而在不改变材料成分的前提下，极大地减轻甚至抑制含钨合金的3D打印裂纹。打印过程中通过工艺控制W元素未完全熔化而部分嵌在基体中，后续结合高温热处理去应力的同时加速W元素扩散得到元素均匀分布的含钨合金。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现：
一种抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于，所述含钨合金包括W含量2.5％～20wt.％的铌钨合金，W含量2.5％～15wt.％的钽钨合金和含钨组元的难熔高熵合金(例如WMoTaTi)，制备步骤如下：
步骤1)采用元素混合粉末或者部分合金化的球磨粉末为原料，所述元素混合粉末是将各组元纯金属粉末按比例在室温下混合均匀，得到可3D打印的混合粉；球磨粉末是将各组元纯金属粉末使用球磨机进行较短时间球磨以部分合金化，通过筛分得到用于3D打印的球磨粉末；
步骤2)将所述原料粉末进行3D打印成形，由于W具有高熔点和高的熔体黏度，通过打印工艺控制W粉不完全熔化扩散，剩余的未熔W颗粒嵌于基体中，打印件无裂纹；
步骤3)将3D打印成形后的组件进行高温热处理，去应力的同时W元素在高温下扩散均匀，随炉冷却得到元素均匀分布的含钨合金。
进一步地，其特征在于所述的元素混合粉末或部分合金化的球磨粉末，其原料Nb、Ta、Mo、Ti粉的平均粒径为20～60μm，W粉的平均粒径为3～20μm，且都呈正态分布。
进一步地，其特征在于所述的元素混合粉末是在室温下、在氩气或氮气氛围中置于旋转混料机中混合4～8h得到的。
进一步地，其特征在于所述的部分合金化的球磨粉末是在球料比5～10：1，球磨转速200～400转/分钟，氩气气氛保护下球磨5～15h得到的。
进一步地，其特征在于，步骤2)所得3D打印成形制品内部无裂纹或融合缺陷产生，部分未熔的W颗粒均匀分布在基体内。
进一步地，其特征在于，步骤3)将所得3D打印成形制品进行后续高温热处理，温度为1600～1800℃，保温时间为6～24h。
进一步地，其特征在于，步骤3)将所得3D打印成形制品进行后续高温热处理，由于各合金元素互相固溶且存在W成分梯度，W原子在高温下加速扩散，保温后随炉冷却得到各元素均匀分布的含钨合金。
进一步地，其特征在于，通过改变原料粉末中W的粒径分布或合金化程度，或者调控打印参数，均可以控制打印件中W元素的熔化程度，从而选择性的延长或缩短后续热处理的保温时间。
本发明的技术效果如下：
(1)采用本发明中的元素混合粉末或部分合金化的球磨粉末3D打印成形后，通过优化打印工艺，所得的含钨合金制品的致密度高，相对密度可达98～99％；
(2)采用本发明中的元素混合粉末或部分合金化的球磨粉末3D打印成形后，通过打印工艺控制W元素不完全熔化而部分嵌在基体中，W与体心立方(BCC)基体呈现共格或半共格界面关系；
(3)本发明从裂纹诱发的原理入手，通过使用W未完全合金化的原料粉末，将W元素固溶合金化导致的合金室温脆性增加与3D打印易诱发裂纹的急冷环境相分离，从而在不改变材料成分的前提下，极大地减轻甚至抑制含钨合金的3D打印裂纹；
(4)本发明通过对打印件进行6～24h的1600～1800℃的高温热处理，去除内应力的同时促进基体内的未熔W颗粒加速扩散，最终形成各元素均匀分布的含钨合金；
(5)本发明通过改变原料粉末中W的粒径分布或合金化程度，或者调控打印参数，均可以控制打印件中W元素的熔化程度，从而选择性地延长或缩短后续热处理的保温时间。
附图说明
通过阅读下文中的优选实施方式详细描述，这使本领域从业者更了解本发明的优点和益处。
图1为本发明实施例1中钽钨合金元素混合粉末原料的扫描电子显微镜形貌图片(a)及3D打印件实物图(b)。
图2为本发明实施例2中WMoTaTi球磨10h后部分合金化粉末的扫描电子显微镜形貌图(a)及合金元素分布图(b)；球磨粉末的XRD结果(c)及3D打印件的背散射图片(d)。
图3为本发明实施例3中3D打印态(a)及热处理态(b)的铌钨合金件的背散射图片。
具体实施方式
实施例1
1.原料为单质元素混合粉末，球形Ta粉的粒径为20～60μm，不规则W粉的粒径为5～10μm，在充满氩气的气氛下混料5h得到钽钨(Ta-5W，wt.％)元素混合粉，其扫描电子显微镜形貌照片如图1(a)所示。
2.激光粉床熔化成形：基板材料为纯钽，基板预热200℃，激光功率为375W，扫描速率为450mm/s，加工层厚30μm。
3.元素混合粉末3D打印钽钨合金的打印制品的实物图如图1(b)所示，可见表面无裂纹，翘曲等缺陷，打印质量较好。
4.上述元素混合粉末3D打印制件的致密度可达98.7％。打印件后续经过1700℃，12h的热处理，可以有效去除内应力，同时促使未熔W颗粒在高温下扩散均匀，打印制件的致密度进一步提升至99.1％。
实施例2
1.原料粉末为原子比1:1:1:1的部分合金化的WMoTaTi粉末，该粉末是在球料比10：1，球磨转速350转/分钟，氩气气氛保护的立式行星式球磨机中球磨10h得到的。
2.球磨粉末的扫描电子显微镜形貌及合金元素分布分别如图2(a)，2(b)所示，可见粉末表面存在焊合现象，各元素的分布有轻微的偏聚，10h球磨后W粉未完全合金化。
3.球磨粉末的XRD结果如图2(c)所示，单质峰的存在表明10h球磨后的粉末仍未完全合金化。
4.将上述球磨粉末进行筛分，所得粉末的平均粒径为34.6μm，且呈正态分布，可直接用于3D打印。
5.激光粉床熔化成形：基板材料为铌钨合金，基板预热200℃，激光功率为350W，扫描速率为400mm/s，铺粉层厚30μm。
6.经检测，3D打印WMoTaTi制件的致密度为98.9％，将打印件腐蚀后进行扫描电子显微镜观察，其背散射图片如图2(d)所示，尺寸约5μm的细小未熔W颗粒均匀分布在BCC基体内部，无裂纹等缺陷。
实施例3
1.原料粉末为单质的近球形Nb、W、Mo、Zr元素粉末，将四种单质元素粉末按质量比92:5:2:1的比例置于充氩气保护的360度旋转混料机中混合4h，得到Nb-W-Mo-Zr元素混合粉。
2.单质Nb、Mo、Zr粉的粒径范围为20～58μm，W粉为10～20μm，且均呈正态分布。
3.激光粉床熔化成形：基板材料为铌钨合金，基板预热200℃，激光功率为340W，扫描速率为600mm/s，加工层厚40μm。将成形件进行喷砂处理，然后超声清洗烘干后得到铌钨合金3D打印制件。
4.经检测，3D打印制件的致密度为99.2％，其腐蚀后的背散射图片如图3(a)所示，可见打印件无明显缺陷，有10～15μm左右的未完全熔化W颗粒嵌于基体内部。
5.将3D打印件进行1800℃，24h的后续热处理，去除内应力的同时使未熔W元素扩散均匀。热处理件腐蚀后的背散射图片如图3(b)所示，此时所有元素均扩散均匀，无偏聚现象，致密度高。
Claims (8)
1.一种抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于，所述含钨合金包括W含量2.5％～20wt.％的铌钨合金，W含量2.5％～15wt.％的钽钨合金和含钨组元的难熔高熵合金，制备步骤如下：
步骤1)采用元素混合粉末或者部分合金化的球磨粉末为原料，所述元素混合粉末是将各组元纯金属粉末按比例在室温下混合均匀，得到可3D打印的混合粉；球磨粉末是将各组元纯金属粉末使用球磨机进行较短时间球磨以部分合金化，通过筛分得到用于3D打印的球磨粉末；
步骤2)将所述原料粉末进行3D打印成形，由于W具有高熔点和高的熔体黏度，通过打印工艺控制W粉不完全熔化扩散，剩余的未熔W颗粒嵌于基体中，打印件无裂纹；
步骤3)将3D打印成形后的组件进行高温热处理，去应力的同时W元素在高温下扩散均匀，随炉冷却得到元素均匀分布的含钨合金。
2.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于所述的元素混合粉末或部分合金化的球磨粉末，其原料Nb、Ta、Mo、Ti粉的平均粒径为20～60μm，W粉的平均粒径为3～20μm，且都呈正态分布。
3.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于所述的元素混合粉末是在室温下、在氩气或氮气氛围中置于旋转混料机中混合4～8h得到的。
4.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于所述的部分合金化的球磨粉末是在球料比5～10：1，球磨转速200～400转/分钟，氩气气氛保护下球磨5～15h得到的。
5.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于，步骤2)所得3D打印成形制品内部无裂纹或融合缺陷产生，部分未熔的W颗粒均匀分布在基体内。
6.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于，步骤3)将所得3D打印成形制品进行后续高温热处理，温度为1600～1800℃，保温时间为6～24h。
7.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于，步骤3)将所得3D打印成形制品进行后续高温热处理，由于各合金元素互相固溶且存在W成分梯度，W原子在高温下加速扩散，保温后随炉冷却得到各元素均匀分布的含钨合金。
8.根据权利要求1所述的抑制含钨合金3D打印裂纹的方法，其特征在于，通过改变原料粉末中W的粒径分布或合金化程度，或者调控打印参数，均可以控制打印件中W元素的熔化程度，从而选择性地延长或缩短后续热处理的保温时间。
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