《AFM》：通過(guò)將氬氣置換為氮?dú)?，?shí)現(xiàn)鎢零件的無(wú)裂紋LPBF增材制造

2024年1月19日，南極熊獲悉，來(lái)自加拿大麥吉爾大學(xué)采礦與材料工程系的研究人員通過(guò)改變傳統(tǒng)激光粉末床熔融技術(shù)加工零件的氬氣 (Ar) 保護(hù)氣氛圍，在氮?dú)?(N2) 氣氛下使用相同的工藝參數(shù)制造加工出了無(wú)裂紋鎢零件。

相關(guān)研究以題為“Crack-Free Tungsten Fabricated viaLaser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing”的論文被發(fā)表在《AdvancedFunctional Materials》期刊上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202309304

由于鎢 (W)具有高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱性、氧化傾向以及晶界 (GB) 氧化物脆性等特點(diǎn)，鎢的增材制造一直都具有很大的挑戰(zhàn)性。W容易受到晶界 (GB) 開(kāi)裂的影響，該開(kāi)裂源于 bcc 晶體結(jié)構(gòu)已知的延性至脆性轉(zhuǎn)變溫度 (DBTT)，在這種情況下，范圍在 473 至 673 K（200 至 400 °C)。DBTT取決于雜質(zhì)水平、晶粒尺寸和應(yīng)變狀態(tài)。晶界處的雜質(zhì)偏析仍然是決定DBTT的主要因素。

在這項(xiàng)研究中，研究人員比較了使用氬氣 (Ar) 和氮?dú)?(N2) 構(gòu)建氣氛，以研究LPBF 期間熔體界面處的 N元素是否可以置換掉熔液中的O元素，作為防止 W 開(kāi)裂的潛在途徑。利用光學(xué)和掃描電子顯微鏡 (SEM)、硬度和機(jī)械測(cè)試研究了N元素對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)和硬度的影響。使用斷裂表面分析和能量色散光譜研究晶界氧化物偏析。

△圖 1.a) 本研究中制作的樣品照片，b) 樣品尺寸，顯示微觀結(jié)構(gòu)表征的剖面。

△圖 2. 原始鎢粉末的 SEM 顯微照片。

△圖 3. 使用 a) 光學(xué)顯微照片、b)EBSD 顯微照片、c) 帶圖例的核平均取向誤差圖、d)KAM 圖直方圖和 e) 極圖表征 W-Ar 樣品

△圖 4. 使用 a) 光學(xué)顯微照片、b)EBSD 顯微照片、c) 帶圖例的核平均取向誤差圖、d)KAM 圖直方圖和 e) 極圖表征 W-N 樣品。

△圖5. a) W-Ar 和 b) W-N 的密度和平均裂紋長(zhǎng)度與體積能量密度的關(guān)系。

△圖 6.a) W-Ar 和 b) W-N 的 SAM 顯微照片。

△圖 7. a) 計(jì)算的準(zhǔn)平衡線（紅色）疊加在平衡 W-N 相圖上，b) 氮攝入機(jī)制示意圖。

△圖 8.a) XRD 分析圖，b) XRD LPA 和模擬的晶格參數(shù)，c) 顯示晶粒和晶界的 HRSEM 圖，d)顯示 W 中存在 N 和 O 的 EDS 譜。

△圖 9.a-c) 代表性 EBSD 顯微照片和硬度圖，表明晶粒取向?qū)︽u顯微硬度的影響。

△圖 10. W-Ar 樣品 a) 低和b) 高的 SEM 斷口圖，顯示氧化物顆粒。

△圖 11. W-N 樣品 a) 低和 b)高兩種放大倍數(shù)的 SEM 斷口圖，顯示氧化物顆粒。

△圖 12.bcc-W 中的 a,c) O 和 bcc-W 中的 b,d) O 的擴(kuò)散勢(shì)壘和電荷密度圖（帶 N 間隙）。

研究結(jié)果表明在Ar中生產(chǎn)的零件存在裂紋，裂紋處有氧化物沉淀物。另一方面，無(wú)裂紋的 W 樣品是在 N2 氣氛下生產(chǎn)的，無(wú)需任何額外的工藝修改，表明等離子體條件下氮活性增強(qiáng)導(dǎo)致LBPF部分氮含量增加，表明LPBF期間原位氮摻雜是可行的。在這兩種情況下，LPBF 樣品中的氧 (O) 含量與起始粉末相似。

有趣的是，對(duì)在氮?dú)庵兄圃斓臉悠返姆治霰砻?，氮被保留在平衡固溶度極限之外，而斷裂表面的高分辨率電子顯微照片顯示晶界處的氧化物水平降低。觀察到在 N2 氣氛下處理的樣品硬度增加。為研究間隙氮對(duì) W 中氧擴(kuò)散的影響而進(jìn)行的密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算表明，溶解 N 的存在會(huì)阻礙 O 擴(kuò)散。

通過(guò)將N引入W部分來(lái)減少O的擴(kuò)散。這會(huì)導(dǎo)致晶界處的氧化物水平降低，從而導(dǎo)致更大的晶界內(nèi)聚力。在 W 的典型 LPBF 加工中不可避免的裂紋被消除，且不會(huì)顯著影響 LPBF 部件的純度。利用 N2氣氛在 LPBF 中進(jìn)行原位晶界工程，成功地證明了通過(guò)LPBF 制造的 W 晶界裂紋的抑制。