《AFM》：通過將氬氣置換為氮氣，實現(xiàn)鎢零件的無裂紋LPBF增材制造

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

相關研究以題為“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、高導熱性、氧化傾向以及晶界 (GB) 氧化物脆性等特點，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) 開裂的影響，該開裂源于 bcc 晶體結構已知的延性至脆性轉變溫度 (DBTT)，在這種情況下，范圍在 473 至 673 K（200 至 400 °C)。DBTT取決于雜質水平、晶粒尺寸和應變狀態(tài)。晶界處的雜質偏析仍然是決定DBTT的主要因素。

在這項研究中，研究人員比較了使用氬氣 (Ar) 和氮氣 (N2) 構建氣氛，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 開裂的潛在途徑。利用光學和掃描電子顯微鏡 (SEM)、硬度和機械測試研究了N元素對晶粒結構和硬度的影響。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，顯示微觀結構表征的剖面。

△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度與體積能量密度的關系。

△圖 6.a) W-Ar 和 b) W-N 的 SAM 顯微照片。

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

△圖 8.a) XRD 分析圖，b) XRD LPA 和模擬的晶格參數，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，表明晶粒取向對鎢顯微硬度的影響。

△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 的擴散勢壘和電荷密度圖（帶 N 間隙）。

研究結果表明在Ar中生產的零件存在裂紋，裂紋處有氧化物沉淀物。另一方面，無裂紋的 W 樣品是在 N2 氣氛下生產的，無需任何額外的工藝修改，表明等離子體條件下氮活性增強導致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，對在氮氣中制造的樣品的分析表明，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 W 中氧擴散的影響而進行的密度泛函理論 (DFT) 計算表明，溶解 N 的存在會阻礙 O 擴散。

通過將N引入W部分來減少O的擴散。這會導致晶界處的氧化物水平降低，從而導致更大的晶界內聚力。在 W 的典型 LPBF 加工中不可避免的裂紋被消除，且不會顯著影響 LPBF 部件的純度。利用 N2氣氛在 LPBF 中進行原位晶界工程，成功地證明了通過LPBF 制造的 W 晶界裂紋的抑制。