能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化純鎢致密度及組織性能的影響

牛朋達(dá)，李瑞迪，袁鐵錘，王敏卜

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

金屬鎢由于具有高的熔點(diǎn)、高的密度、高的抗熱沖擊性以及具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。使其在武器裝備、醫(yī)療、通訊、航空航天、核反應(yīng)堆、穿甲彈及切削刀具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1?3]。同時(shí)，由于鎢具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如高的硬度、高的抗壓強(qiáng)度、高的彈性模量及優(yōu)異的抗磨損性能[4?7]，使其成為制備超合金、工具鋼、硬質(zhì)合金中不可或缺的合金元素。近年來，隨著科技的發(fā)展，對(duì)鎢及純鎢的應(yīng)用領(lǐng)域在日益擴(kuò)展，同時(shí)也對(duì)其性能提出了更加苛刻的要求，如對(duì)于武器裝備，要求鎢及純鎢同時(shí)具有高的強(qiáng)度和高的韌性，同時(shí)還要求具有優(yōu)異的超高速動(dòng)能穿甲自銳和破甲射流，以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的射擊功能。目前，對(duì)于純鎢的制備一般采用傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)，并且隨著研究的不斷深入，粉末冶金技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的模壓成形朝著高性能、高致密化、低成本和高的生產(chǎn)效率發(fā)展，主要包括等靜壓技術(shù)、快速全向壓制、粉漿澆注成形、粉末擠壓成形、粉末鍛造成形、溫壓成形和電磁成形。雖然上述方法在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但是工藝過程繁瑣、成本昂貴，并且很難制備出一些形狀復(fù)雜的和一些超細(xì)晶組織的構(gòu)件。因此研發(fā)新的方法來制備純鎢具有重要意義。選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)是增材制造領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，通過高能束的激光逐層熔化預(yù)鋪設(shè)的一薄層金屬粉末，成形一些高性能復(fù)雜金屬零部件[8]，又稱3D打印技術(shù)。與傳統(tǒng)的粉末冶金加工方法相比，選區(qū)激光熔化設(shè)備包括成形腔、流道等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以及細(xì)柵格等，較無法直接成形的傳統(tǒng)方法具有突出的優(yōu)勢(shì)。目前，采用 SLM 技術(shù)已經(jīng)成功制備出鋁合金[9]，高熵合金[10]，鈦合金[11]及鉭合金等[12]。與傳統(tǒng)方法相比，采用 SLM 技術(shù)制備的合金展現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能。本文采用選區(qū)激光熔化制備純鎢，研究不同能量密度對(duì)熔覆后純鎢的致密度、顯微硬度、組織演化等影響，為選區(qū)激光熔化制備高質(zhì)量純鎢奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中純鎢粉采用等離子球化的方法制備，純度≥99.9%。鎢粉的平均粒度采用激光粒度分析儀(Ma-stersiga)測(cè)試，平均粒度約為26 μm。選區(qū)激光熔化設(shè)備型號(hào)為FS271 M，設(shè)備配有500 W的光纖激光器，光束直徑為90 μm。整個(gè)打印過程在高純氬氣氛圍下進(jìn)行，打印尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。采用阿基米德排水法測(cè)量樣品的密度。分別從橫截面和縱截面切取厚度為1 mm的試樣進(jìn)行鑲樣，然后用砂紙進(jìn)行磨樣，再用0.5 μm的金剛石研磨膏在絲絨拋光布上進(jìn)行拋光至表面光亮無劃痕。將拋光后的試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，腐蝕電流為2.3 mA/cm，腐蝕時(shí)間為5~10 s。通過Leica/MeF3A 型光學(xué)顯微鏡(optical micro-scope，OM)觀察腐蝕后的樣品金相及微觀形貌。采用美國 FEI公司Quanta FEG 250場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(scanning electronic microscope，SEM)觀察表面形貌。由于選區(qū)激光熔化是逐層打印，打印參數(shù)可以通過體積能量密度(VED)來定性衡量，定義為如下：

式中：P為激光功率，W；v為掃描速度，mm/s；h為掃面間距，mm；t為每一層鋪粉的厚度，mm。相鄰兩層之間的掃描角度為67°。表1所列為打印過程的具體參數(shù)。

圖1 鎢粉末的SEM形貌和每層掃描過程的示意圖Fig.1 SEM morphology of tungsten powder (a) and the schematic diagram of the scanning process of each layer (b)

表1 選區(qū)激光熔化的參數(shù)列表Table 1 Parameters list of selective laser melting

2 結(jié)果與討論

2.1 致密度和表面形貌

圖2 選區(qū)激光熔化純鎢密度隨能量密度的變化Fig.2 Relationship between density of pure tungsten and laser energy density of SLM

圖2 所示為選區(qū)激光熔化后純鎢密度隨能量密度的變化，從圖中可以看出，隨激光能量密度增大，試樣密度逐漸提高。當(dāng)能量密度從 121.5 J/mm3增加到125 J/mm3時(shí)，試樣密度增加約為7%，當(dāng)能量密度超過156.2 J/mm3時(shí)，密度增加逐漸趨于緩慢。當(dāng)能量密度超過200 J/mm3時(shí)，密度達(dá)到14.03 g/cm3，此時(shí)相對(duì)密度為72.9%。很高的能量密度時(shí)，相對(duì)密度較低，可能是因?yàn)殒u粉的激光反射率較大，同時(shí)在打印過程中產(chǎn)生球化、匙孔等現(xiàn)象。另一種導(dǎo)致材料致密度低的原因可能是材料的本征性能不太適于選區(qū)激光熔化技術(shù)。研究表明，適宜 SLM 的材料普遍要求熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、表面張力、熔池粘度適中等特點(diǎn)。目前為止，鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金、AlSi10Mg合金是選區(qū)激光熔化技術(shù)應(yīng)用中最為成熟的材料，而鎢等一些難熔金屬則被公認(rèn)為最難加工的材料[13?15]。

圖3 選區(qū)激光熔化1~8號(hào)試樣正面的表面形貌Fig.3 Surface SEM images of front surface of No. 1?8 specimen(marked a~h respectively) as by SLM

圖3 為選區(qū)激光熔化后樣品垂直于構(gòu)造方向的表面形貌。從圖可以看出，無論能量密度是多少，打印后的樣品表面都存在裂紋、氣孔、球化等現(xiàn)象。打印過程中鎢粉球化的原因可能是鎢粉熔化后的不完全潤濕性和熔液沿著激光束移動(dòng)。同時(shí)由于鎢的高熱導(dǎo)率導(dǎo)致凝固時(shí)間很短，使鎢的凝固時(shí)間小于其擴(kuò)散時(shí)間，球化現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)由于鎢的熔點(diǎn)較高會(huì)引起高的內(nèi)聚能和大的表面張力，導(dǎo)致熔池形狀取向最小化、熔道斷裂，從而引起球化和孔洞，同時(shí)高的粘度也會(huì)導(dǎo)致熔化后鎢熔體的流動(dòng)性降低。觀察圖3中1~4號(hào)樣品可發(fā)現(xiàn)在相同掃描速度下，隨激光功率增大，氣孔和球化現(xiàn)象減弱。這是由于隨激光能量密度增大，在熔化液體中心區(qū)域的溫度升高，并且熱量會(huì)沿著熔池邊界逐漸向外擴(kuò)散。當(dāng)溫度大于鎢的熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)使先凝固的鎢又一次熔化，在不斷重熔凝固的過程中，會(huì)使氣孔減少，球化現(xiàn)象減小。1和6號(hào)樣品的能量密度相同，均為138.9 J/mm3，速度和功率各不相同。從圖中可以看出，激光功率越大，球化現(xiàn)象越小。可能是因?yàn)樵谙嗤哪芰棵芏葪l件下，激光功率的影響比掃描速度的影響大。掃描速度是用來衡量激光在某個(gè)點(diǎn)的駐留時(shí)間，而激光功率是指單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量。為進(jìn)一步優(yōu)化打印參數(shù)提供依據(jù)。

圖4為選區(qū)激光熔化純鎢樣品平行于建造方向的掃描電鏡照片。從圖可以看出，平行于建造方向的表面形貌的球化現(xiàn)象較垂直于建造方向的球化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，而且在平行于構(gòu)造方向上，存在大量的氣孔。在圖 4(c)和4(d)中出現(xiàn)了典型的3D打印后的形貌特征，即出現(xiàn)了魚鱗狀的形貌。而在能量密度低于185.2 J/mm3時(shí)，并沒有出現(xiàn)魚鱗狀的形貌，可能的原因是在選區(qū)激光熔化過程中，能量密度過低和激光與粉末之間的作用非常短，大約為0.5~25 ms左右，同時(shí)表面張力和液體粘度的影響，導(dǎo)致沒有出現(xiàn)典型的 3D打印特征。

2.2 顯微組織

圖4 選區(qū)激光熔化1~8號(hào)試樣側(cè)面的表面形貌Fig.4 Surface SEM images of the side surface of 1~8 specimens (marked a~h respectively) by SLM(a)~(d) Parallel to construction direction; (e)~(h) Perpendicalar to construction directon

圖5 選區(qū)激光熔化后純鎢的顯微組織Fig.5 SEM microstructures of pure tungsten after SLM

圖5 為選區(qū)激光熔化后的純鎢顯微組織圖。從圖5(a)中可以看出，在打印后的樣品中存在大量的裂紋。由于選區(qū)激光熔化在打印的過程中是一個(gè)快熱和快冷的過程，不可避免地存在一些熱應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力裂紋產(chǎn)生。從圖 5(b)中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋大多沿著熔池邊界形成，可能是鎢在熔池邊界不斷地重熔和凝固，容易在熔池邊界附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋沿著熔池邊界形成。圖 5(c)為圖 5(b)方框區(qū)域的放大圖，從圖中可以看出，打印后的顯微組織為等軸晶粒，晶粒尺寸小于1 μm，并且在熔池邊界都是等軸晶粒，沒有出現(xiàn)貫穿熔池的等軸晶。圖5(d)為圖 5(c)方框區(qū)域的放大圖，從圖5(d)可以看出組織中存在微氣孔，可能是純鎢粉中含有少量的水蒸氣或者氫氣，來不及溢出，導(dǎo)致微氣孔的形成。

2.3 顯微硬度

圖6為采用不同激光能量密度打印鎢樣品的顯微硬度。從圖中可以看出，隨能量密度提高，顯微硬度逐漸增大，并且 SLM 樣品的顯微硬度比粉末燒結(jié)樣品的顯微硬度高2倍左右?？赡苁且?yàn)榇蛴∵^程中能量密度越大，冷卻速率越大，凝固后的組織晶粒越細(xì)小。根據(jù)霍爾?佩奇可知，細(xì)化晶粒不僅可以提高樣品的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)也會(huì)提高其韌性。此外SLM技術(shù)是一個(gè)快冷的過程，打印后的樣品中存在大量的位錯(cuò)。根據(jù)位錯(cuò)理論，晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，晶粒越細(xì)，晶界越多，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用越強(qiáng)，因此需要更多的外力來實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和晶粒的變形。高密度的位錯(cuò)會(huì)誘發(fā)位錯(cuò)堆積纏繞，阻礙晶界的滑移和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，有助于顯微硬度的提高。

圖6 不同激光能量密度制備的樣品和粉末燒結(jié)樣品的顯微硬度Fig.6 Microhardness of samples prepared with different energy densities and powder sintering samples

3 結(jié)論

1) 激光熔覆后的鎢由于其潤濕性差、粘度大和存在熱應(yīng)力等，導(dǎo)致打印后的樣品存在球化、氣孔、裂紋等冶金缺陷。

2) 選區(qū)激光熔化純鎢的致密度隨能量密度增大而逐漸增大，最大致密度達(dá)到 74.8%。硬度提高，可達(dá)485 HV。

3) 激光熔覆后純鎢為細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸小于 1 μm。