一种基于复合增韧的增材制造钨合金及其制备方法与流程

本发明涉及增材制造，具体涉及一种基于复合增韧的增材制造钨合金及其制备方法。

背景技术：

1、具有复杂构型的钨合金部件正在航空航天、核聚变和医疗等领域加速发展，由于难熔金属钨固有的高熔点、高硬度和难于加工的本征脆性，使用传统的粉末冶金等加工方式难以实现精细复杂结构钨部件的制备，而增材制造技术可成功克服这一难题。增材制造技术是一种以激光、电子束或电弧等高能束为热源，基于设计的三维模型，通过逐层堆叠材料的方式实现复杂三维零件构造的技术，可以优化设计结构并调控微观组织，有效提升材料的力学性能，同时提高制造效率。

2、然而由于钨的本征脆性以及增材制造过程中的高热应力超过了材料的承受极限，裂纹问题至今仍无法彻底解决。产生的裂纹会沿着拥有高界面能的平直大角晶界扩展，同时由于纳米孔洞、氧杂质在晶界处的偏聚会导致实际晶界断裂强度的显著降低，最终在增材制造钨材料中形成长直的沿晶裂纹网络。

3、以激光增材制造为例，通过进行包括优化工艺参数和扫描策略在内的激光增材制造工艺调控可以实现钨99％的致密度，通过在钨中添加少量纳米zrc粒子，降低了氧杂质含量同时实现晶粒细化；添加少量的金属钽等元素，可以改变成形后的晶粒形貌，提高抗裂纹扩展能力，降低裂纹密度；基于共晶思路引入tac颗粒实现了w2c胞状结构的原位形成，裂纹得到部分抑制。尽管已有技术可以在一定程度上实现裂纹抑制，但由于钨的本征脆性与抗裂纹扩展能力改善程度有限，无法彻底解决激光增材制造钨中的裂纹问题。

4、因此，发明人提供了一种基于复合增韧的增材制造钨合金及其制备方法。

技术实现思路

1、(1)要解决的技术问题

2、本发明实施例提供了一种基于复合增韧的增材制造钨合金及其制备方法，解决了增材制造钨在增材制造过程中裂纹消除效果差的技术问题。

3、(2)技术方案

4、本发明的第一方面提供了一种基于复合增韧的增材制造钨合金，包括钨、具有高生长限制因子的第一组分、与钨发生共晶或共析反应的第二组分/热力学稳定的纳米尺寸第二相、溶质-位错为负相互作用能且提高位错密度的第三组分；所述第一组分为具有高生长限制因子q的组分，其生长限制因子q≤-35。

5、进一步地，所述第一组分、所述第二组分及所述第三组分均为一种/多种单质，和/或，多种单质形成的一种/多种化合物。

6、进一步地，所述第一组分包括si、al、hf、ti、cr中的至少一种。

7、进一步地，所述第二组分包括b、c、si、fe、ni中的至少一种。

8、进一步地，所述热力学稳定的纳米尺寸第二相为hfc、zrc、sic中的至少一种。

9、进一步地，所述第三组分包括mn、al、re、mo中的至少一种。

10、进一步地，所述第一组分在增材制造钨合金中的含量不超过其在钨中的最大固溶度。

11、进一步地，所述第二组分在增材制造钨合金中的含量在其在钨中的最大固溶度与共晶点/共析点对应的含量之间。

12、进一步地，所述第三组分在增材制造钨合金中的含量小于8wt％。

13、本发明的第二方面提供了一种基于上述的基于复合增韧的增材制造钨合金的钨合金零件的制备方法，包括以下步骤：

14、将钨与具有高生长限制因子的第一组分、与钨发生共晶或共析反应的第二组分/热力学稳定的纳米尺寸第二相、溶质-位错为负相互作用能且提高位错密度的第三组分进行机械混合或预合，获得粉体；

15、对构建的零件三维模型进行切片处理获得分层模型，并依据所述分层模型，获得原材料逐层累积制得所需的制件模型；

16、依据所述制件模型，对所述粉体进行增材制造，成形出钨合金零件。

17、(3)有益效果

18、综上，本发明一方面从材料本非征角度出发，通过在钨中引入具有高生长限制因子q的成分过冷元素，同时引入与钨发生共晶或共析反应的元素，或引入热力学稳定的纳米尺寸第二相，构建异质形核体系；另一方面从材料本征角度出发，通过选择溶质-位错为负相互作用能、提高位错密度的合金化元素，实现钨中位错形核与运动能力的提高。通过促进成分过冷与异质形核可以实现增材制造钨的cet(columnar to equiaxed transition，柱状晶向等轴晶转变)与晶粒细化，实现抗裂纹扩展能力的提高。引入提高位错形核运动能力的元素改善钨的本征脆性，缓解增材成形过程中的高热应力，实现抗裂纹萌生能力的提高。

技术特征：

1.一种基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，包括钨、具有高生长限制因子的第一组分、与钨发生共晶或共析反应的第二组分/热力学稳定的纳米尺寸第二相、溶质-位错为负相互作用能且提高位错密度的第三组分；所述第一组分为具有高生长限制因子q的组分，其生长限制因子q≤-35。

2.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第一组分、所述第二组分及所述第三组分均为一种/多种单质，和/或，多种单质形成的一种/多种化合物。

3.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第一组分包括si、al、hf、ti、cr中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第二组分包括b、c、si、fe、ni中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述热力学稳定的纳米尺寸第二相为hfc、zrc、sic中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第三组分包括mn、al、re、mo中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第一组分在增材制造钨合金中的含量不超过其在钨中的最大固溶度。

8.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第二组分在增材制造钨合金中的含量在其在钨中的最大固溶度与共晶点/共析点对应的含量之间。

9.根据权利要求1所述的基于复合增韧的增材制造钨合金，其特征在于，所述第三组分在增材制造钨合金中的含量小于8wt％。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的基于复合增韧的增材制造钨合金的钨合金零件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于复合增韧的增材制造钨合金及其制备方法。该基于复合增韧的增材制造钨合金包括钨、具有高生长限制因子的第一组分、与钨发生共晶或共析反应的第二组分/热力学稳定的纳米尺寸第二相、溶质‑位错为负相互作用能且提高位错密度的第三组分；第一组分为具有高生长限制因子Q的组分，其生长限制因子Q≤‑35。该基于复合增韧的增材制造钨合金的目的是解决增材制造钨在增材制造过程中裂纹消除效果差的问题。

技术研发人员：陈金瀚,刘伟,刘琦,万宏远,李祥硕
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17