阅读说明：本技术 一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法 (Method for preparing pure tungsten component with complex structure by selective laser melting ) 是由 陈超 董静 李丹 苏超 陈慧 周科朝 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法,属于金属材料增材制造技术领域。本发明通过在纯钨粉末中添加适量的碳元素,结合适当条件参数的选区激光熔化,得到了致密度高、力学性能优异的产品。本发明经优化后的方案:等离子球化渗碳技术+选区激光熔化技术；其所得产品的性能远远高于其他技术所得产品。(The invention relates to a method for preparing a pure tungsten component with a complex structure by selective laser melting, belonging to the technical field of metal material additive manufacturing. According to the invention, a proper amount of carbon element is added into pure tungsten powder, and selective laser melting with proper condition parameters is combined, so that a product with high density and excellent mechanical properties is obtained. The optimized scheme of the invention is that a plasma spheroidizing carburizing technology and a selective laser melting technology are adopted; the performance of the obtained product is far higher than that of the products obtained by other technologies.)

一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法

技术领域

本发明涉及一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法，属于金属材料增材制造技术领域。

背景技术

钨(W)作为熔点最高(3410℃)的难熔金属，具有高密度、良好的导热性、高的再结晶温度、低的热膨胀系数、室温高强度、高硬度等独特的物理化学性能。它在军事武器、医疗设备、航空航天和核领域的制造中得到了广泛的应用。特别是在国际热核实验反应堆和高性能火箭喷嘴等核聚变装置中，钨以其优异的耐热性和等离子体辐射性能被认为是最有前景的等离子体表面材料。尽管有这些优点，但钨仍存在一个主要的缺陷，即其高的韧-脆转变温度(DBBT)，通常在200-400℃之间，导致室温塑性低。钨的高熔点和低室温延展性增加了加工制造的难度，限制了钨作为结构材料的应用。因此，钨制品通常采用粉末冶金(PM)、放电等离子体烧结(SPS)、化学气相沉积(CVD)和热等静压(HIP)等方法制造。

近年来，随着科技的不断发展，纯钨的应用领域不断扩展，对成形零件的要求越来越高。在穿甲弹，汽车涡轮发动机以及火箭喷嘴等核聚变装置中的应用中，所需钨零件的形状更加复杂，通常拥有内孔，槽以及多截面等复杂结构。这就要求钨零件向三维形状设计自由度发展。而传统成形方法在制造结构复杂的零件方面有其局限性，耗时长，成本高。因此，增材制造这种可以快速，定制化制备复杂零构件的技术得到了广泛关注。

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是增材制造技术领域的一种方法，它可以根据三维CAD模型，利用激光器产生的激光束选择性地逐层熔化粉末，生产具有复杂几何形状的单个或多个金属零件，而不需要特定零件的模具。SLM技术具有零件开发周期短、加工精度高、节约原料、可成形任意复杂零件等特点。目前，该技术已用于成形钛合金、不锈钢、铝合金、镍基高温合金等多种金属。利用高能量密度激光，甚至可以成形Mo、Ta、W等难熔金属。然而，由于钨具有高熔点、高导热性、高熔体粘度、在高温下对氧的亲和性和室温下的脆性等特点，激光扫描后的纯钨零件中出现孔洞及裂纹，严重影响钨构件的力学性能，限制了纯钨构件的应用，这是选区激光熔化纯钨目前面临的较大的困难和挑战。

发明内容

针对传统粉末冶金技术无法制备具有复杂结构的纯钨构件这一缺点，本发明的目的是提供一种利用选区激光熔化制备复杂纯钨构件并大幅度提高选区激光熔化制备复杂钨构件力学性能的方法。通过在纯钨粉末中添加碳元素，一方面，利用碳元素高温下较强的还原性，与钨粉及保护气氛中的氧气反应，降低氧含量，减小孔隙率；另一方面，利用高温下碳元素与钨反应生成碳化钨，作为强化相，提高钨零件的力学性能。通过减少选区熔化过程中出现的孔隙和裂纹问题，从而提高纯钨构件的力学性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种选区激光熔化制备具有复杂结构纯钨构件的方法，包括以下步骤：

步骤一

选用纯钨粉作为原始粉末，制备W/C复合粉末；所述W/C复合粉末中，C含量为0.1-0.5wt％、优选为0.25-0.35％；

步骤二

使用三维软件构建所需制备的零件模型，将构建好的模型导入选区激光熔化成型设备；

步骤三

将制备好的复合粉末放入选区激光熔化设备中的供粉缸中，同时往成形腔中通入保护气体进行气氛保护。

步骤四

设置选区激光熔化加工过程的工艺参数，并对制备好的粉末进行激光烧结；

步骤五

将打印完成后的零件进行线切割，超声清洗，获得钨零件。

优选的，所述纯钨粉末的粒度范围为10～35μm。进一步优选，所述纯钨粉末的D50为22.5μm。

作为优选，所述三维软件包括Magics。

优选的，通过下述2种方法制备W/C粉末：

方法1：球磨混粉

以钨粉和石墨粉为原料，石墨粉的粒度范围为1～8μm，D50为3μm按照质量百分比钨粉：石墨粉＝99.7：0.3，称取钨粉和石墨粉，放入含有不锈钢球的球磨罐中，球料质量比为2：1，以氩气为保护气氛，在球磨机中以50rpm的转速球磨12小时。将球磨完的粉末过筛，然后放入真空干燥箱烘干，W/C粉末，备用。

方法2：等离子球化渗碳

根据本发明的有利实施方案，对于原始钨粉末，采用球化过程中的渗碳。在球化过程中，可以使团聚或形状不规则的粉末颗粒重新熔化，然后，由离心力以及表面张力作用下形成球形液滴并且在凝固仓中快速凝固成粉末颗粒。球化后的粉末具有球形形状，从而具有优异的流动性。钨粉的球化在含碳的反应中进行，在Ar₂加入CH₄作为碳化剂，通过Ar₂-CH₄混合载气体将粉末颗粒送入等离子区，在等离子体区的高温环境下熔化成液体，CH4在高温下裂解，产生活性碳原子，活性碳原子被熔化的液体颗粒吸收，在随后的冷却中，熔融颗粒在离心力和表面张力作用下凝固成球形，球化后粉末颗粒由仪器下方的收集仓收集。通过该过程，颗粒被均匀的渗碳，粉末的碳含量通过改变Ar₂和CH₄的比率进行调整。然后，将球化后的粉末过筛，然后放入真空干燥箱烘干，得到W/C粉末，备用。

优选的，加工过程中向成形腔内通入氩气做保护气体，保证成形腔内氧含量小于0.1％。

优选的，基板加热温度设置为100～180℃、优选为175～180℃。

优选的，设定激光光斑直径90～130μm、优选为130μm，激光功率400～475W，激光扫描速400～600mm/s，激光扫描间距40～80μm，铺粉厚度为20～40μm。

本发明提供的选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法，通过球磨和等离子球化渗碳这两种方法，在纯钨粉中添加适量碳元素，然后进行选区激光熔化。通过碳元素的还原性与粉末中和气氛中的氧反应，形成CO或CO₂而除去杂质氧，降低成形样品中的氧含量以及在晶界处氧的偏聚，细化晶粒，降低孔隙率，减少裂纹。并且钨和碳在高温下反应生成碳化钨，作为强化相提高钨制品的力学性能。本发明提供的选区激光熔化制备复杂纯钨构件的方法工艺简单合理，生产效率高，为制备具有复杂结构的纯钨构件，并有效提高其力学性能提供了一种方法。

本发明一种选区激光熔化制备具有复杂结构纯钨构件的方法，所得构件的致密度大于等于98.5％、抗压强度大于等于1280MPa。经过优化后，所得构件的致密度为99.2～99.5％、抗压强度为1420-1430MPa。

具体实施方式

：

具体实施方式中基板加热温度设置为175～180℃。

实施例1：W-0.3wt％C钨构件的选区激光熔化

实施例1中钨粉的粒度范围为10～35μm、D50为22.5μm，石墨粉的粒度范围为1～8μm、D50为3μm。

以钨粉和石墨粉为原料，按照质量百分比钨粉：石墨粉＝99.7：0.3，称取钨粉和石墨粉，放入含有不锈钢球的球磨罐中，球料质量比为2：1，以氩气为保护气氛，在球磨机中以50rpm的转速球磨12小时。然后将球磨好的粉体放置于华曙高科生产的选区激光熔融设备的供粉缸中，选区激光熔化打印选用的参数：激光光斑直径130μm，激光功率400W，扫描速度400mm/s，扫描间距70μm，单层铺粉层厚度30μm，扫描路径为相邻层之间旋转67°，充入氩气为保护气氛，对钨粉进行激光熔融。激光加工完成之后，把样品进行线切割，超声清洗，用砂纸对样品进行打磨，获得所需的具有复杂形状的钨构件。所述钨构件的致密度为98.6％，抗压强度为1280MPa。

实施例2：

实施例2中钨粉的粒度范围为10～35μm、D50为22.5μm。

以钨粉为原料，称取600g纯钨粉装入等离子球化设备的送粉装置内，开启设备，在氩气中加入CH₄作为碳化剂，通过Ar₂-CH₄混合载气体将粉末颗粒送入等离子区，在等离子体区的高温环境下熔化成液体，CH₄在高温下裂解，产生活性碳原子，活性碳原子被熔化的液体颗粒吸收，在随后的冷却中，熔融颗粒在离心力和表面张力作用下凝固成球形，球化后粉末颗粒由仪器下方的收集仓收集。然后，将球化后的粉末过筛，烘干。然后将制备好的粉体(粉体中C的含量为0.3wt％)放置于华曙高科生产的选区激光熔融设备的供粉缸中，选区激光熔化打印选用的参数：激光光斑直径130μm，激光功率400W，扫描速度400mm/s，扫描间距70μm，单层铺粉层厚度30μm，扫描路径为相邻层之间旋转67°，充入氩气为保护气氛，对混合粉末进行激光熔融。激光加工完成之后，把样品进行线切割，超声清洗，并对样品进行喷砂处理和必要的打磨。所述钨构件的致密度为99.2％，抗压强度为1420MPa。

对比例1：纯钨构件的选区激光熔化

实施例1中钨粉的粒度范围为10～35μm、D50为22.5μm。

以原始钨粉为原料，将钨粉放置于华曙高科生产的选区激光熔融设备的供粉缸中，选区激光熔化打印选用的参数：激光光斑直径130μm，激光功率400W，扫描速度400mm/s，扫描间距70μm，单层铺粉层厚度30μm，扫描路径为相邻层之间旋转67°，充入氩气为保护气氛，对钨粉进行激光熔融。激光加工完成之后，把样品进行线切割，超声清洗，并对样品进行喷砂处理和必要的打磨。所述钨构件的致密度为95.8％，抗压强度为940MPa。

由于没有添加碳元素，导致选区激光融化成形的钨构件致密度低，压缩性能较差。

本发明在研发过程中，还尝试了碳加入量过高(即大于0.6％)的方案，但其所得产品要么致密度低、要么产品力学性能极差。