CN113088780A - 一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体及制备方法，合金粉体，包括如下质量百分含量组分：Nb：2.0％‑20％，余量W。本发明选用高熔点金属Nb合金化可以实现W颗粒的完全熔化，与W可以无限互溶，且有较好的延展性，能够改善熔融钨的铺展性，便于消除裂纹产生的可能性，同时，Nb熔点相对钨较低，这样高熔点的钨首先凝固，相对较低熔点的液态合金化Nb元素可以补缩钨凝固引起孔洞缺陷，进而降低热梯度应力，能够有效实现选区激光熔化制造钨合金的裂纹抑制，提高选区激光熔化制备钨合金的致密度和性能。
Description
技术领域
本发明属于钨合金增材制造技术领域，具体涉及一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体及制备方法。
背景技术
钨及其合金由于其高熔点、高硬度、耐蚀性好、优异的射线吸收能力和抗电弧侵蚀能力等独特属性，广泛的应用在航空航天、核工业、电子、医疗器械等领域。通常，钨合金的制备采用粉末冶金和粉末注射成型技术。然而，随现代结构设计学的发展，钨合金构件的结构愈加复杂化和多样化，同时其加工性较差，很难采用减材加工技术制备。
选区激光熔化增材制造是通过点-线-面逐层堆积的方法实现复杂结构的“自由制造”，因此，选区激光熔化技术有望成为实现复杂结构钨合金结构件近净成形的制造技术。
选区激光熔化技术采用球形粉体和高激光功率，可以制备全致密的钨合金。然而，由于高的温度梯度和钨的本征脆性，选区激光熔化过程中极易产生孔洞、裂纹等缺陷，同时在SLM纯W过程中会呈现出较高的表面张力和内聚能，进而形成球化现象，该现象可加速裂纹的形成，使其应用受到限制。而针对上述问题，通过工艺参数的优化，并不能完全实现选区激光熔化制备钨合金的微裂纹和孔洞等缺陷的抑制。
相对而言，合金化可以使得SLM制备钨合金缺陷抑制更加显著，同时可以改善熔融钨的铺展性，便于消除裂纹产生的可能性。前期选区激光熔化技术制备钨合金的固溶合金主要选用低熔点金属，如Ni、Fe、Cu、Co等，虽然微观组织缺陷较少，但W颗粒基本呈未熔态。在常见的高熔点金属中(Ta、Re、Mo、Nb)，Nb的熔点相对最低，与W可以无限互溶，且有较好的延展性，有望有效实现选区激光熔化制造钨合金的裂纹抑制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是传统粉末冶金用合金组份在选区激光融化技术中易产生裂纹、孔洞等缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体，可有效提高选区激光熔化制备钨合金的致密度和性能，能够用于选区激光熔化制备近无缺陷的高致密钨合金零部件。
本发明通过下述技术方案实现：
一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体，包括如下质量百分含量组分：Nb：2.0％-20％，余量W。
进一步的，W来源于纯金属钨粉末，粒径范围为5-25μm，含氧量不高于500ppm；Nb来源于纯金属铌粉末，粒径范围为0.5-15μm，含氧量不高于2000ppm。其中Nb粉体粒径根据WNb合金中Nb的质量百分比进行选择：WNb合金中Nb的质量百分比越高，Nb粉体粒径范围幅值愈大。
或者进一步的，W和Nb来源于W-Nb的合金粉末。
一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体的制备方法，包括如下步骤：1)按配比量称取W粉体和Nb粉体，其中W粉的粒径范围为5-25μm，Nb粉的粒径范围为0.5-15μm；2)将W粉体和Nb粉体采用三维混料机混粉，获得混合均匀的WNb合金粉体。
进一步的，采用三维混料机混粉时，混粉时间3-8h，保护气体采用氩气。
一种选区激光熔化技术制备的高致密钨合金，以WNb合金粉体作为原材料，通过选区激光熔化设备打印而得。
本发明选用高熔点金属Nb合金化可以实现W颗粒的完全熔化，与W可以无限互溶，且有较好的延展性，能够改善熔融钨的铺展性，便于消除裂纹产生的可能性，同时，Nb熔点相对钨较低，这样高熔点的钨首先凝固，相对较低熔点的液态合金化Nb元素可以补缩钨凝固引起孔洞缺陷，进而降低热梯度应力，能够有效实现选区激光熔化制造钨合金的裂纹抑制，提高选区激光熔化制备钨合金的致密度和性能。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的WNb合金粉体，Nb与W可以实心无限互溶，可避免Nb的成分偏析；
2、本发明的WNb合金粉体，Nb的沸点高达4744℃，在选区激光熔化技术中能够有效避免的Nb的气化；
3、本发明的WNb合金粉体，在常见的高熔点金属中，Nb的熔点相对最低，且有较好的延展性；
4、本发明的WNb合金粉体，通过不同粒径单质W粉和Nb粉的混粉，不仅可以有效混合W和Nb元素，同时工艺简单易行，可最大限度保证粉体球形度，利于增材制造过程过中粉床铺放。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本实施例1中W-5Nb合金粉体SEM形貌图；
图2为本实施例1中增材制造的W-5Nb合金构件内部显微组织形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种W-5Nb合金的选区激光熔化增材制造方法，具体如下：
1)称取质量配比为95:5的W粉体和Nb粉体，其中W粉体的粒径范围为5-25μm，Nb粉体的粒径范围为1-10μm，然后将W粉体和Nb粉体放入三维混料机的混料容器中，关闭三维混料机的混料容器。然后，启动三维混料机。带三维混料机混料时间至4h后，关闭三维混料机电源，然后取出已经混合均匀的W-5Nb粉体；检测获得的W-5Nb合金粉体SEM形貌，如图1所示。
2)利用步骤1)所制得的粉体作为原材料，通过选区激光熔化设备打印W-5Nb合金构件，具体打印过程如下：(1)使用三维结构建模软件工具绘制3D零件模型；(2)使用专业切片软件将零件模型的三维信息离散为二维数据；(3)SLM设备中的铺粉***把完全混合的待加工粉体均匀铺放在制造基板之上，随后热源根据计算机提供的二维信息选择性扫描粉层中的区域，该区域经历快速熔凝成形为第一个二维截面；(4)控制***操作成形缸往下调节一个粉层厚度，同时操纵供粉缸往上调节一个粉层厚度，铺粉***在原先已成形基础上铺设第二层待加工粉体，随后热源根据第二层模型数据选择性扫描粉层，成形第二层二维截面，且与上一层二维截面形成良好冶金结合；(5)重复步骤(6)逐层成形，直到制件生产完成。具体加工参数如下：光栅式激光扫描策略，激光光斑直径70μm，激光扫描间距60μm，粉层厚度30μm，激光扫描速度350mm/s，激光功率270W；检测获得内部显微组织形貌，如图2所示，从图中可以看出合金构件内部无明显微裂纹形成和成分偏析。
实施例2
本实施例提供一种W-2Nb合金的选区激光熔化增材制造方法，具体如下：
1)称取质量配比为98:2的W粉体和Nb粉体，其中W粉体的粒径范围为5-25μm，Nb粉体的粒径范围为0.5-2μm，然后将W粉体和Nb粉体放入三维混料机的混料容器中，关闭三维混料机的混料容器。然后，启动三维混料机。带三维混料机混料时间至4h后，关闭三维混料机电源，然后取出已经混合均匀的W-2Nb粉体；
2)利用步骤1)所制得的粉体作为原材料，通过选区激光熔化设备打印W-2Nb合金构件，具体增材制造设备打印过程及激光加工参数与实施例1一致。
实施例3
本实施例提供一种W-10Nb合金的选区激光熔化增材制造方法，具体如下：
1)称取质量配比为90:10的W粉体和Nb粉体，其中W粉体的粒径范围为5-25μm，Nb粉体的粒径范围为5-10μm，然后将W粉体和Nb粉体放入三维混料机的混料容器中，关闭三维混料机的混料容器。然后，启动三维混料机。带三维混料机混料时间至4h后，关闭三维混料机电源，然后取出已经混合均匀的W-10Nb粉体；
2)利用步骤1)所制得的粉体作为原材料，通过选区激光熔化设备打印W-10Nb合金构件，具体增材制造设备打印过程及激光加工参数与实施例1一致。
实施例4
本实施例提供一种W-20Nb合金的选区激光熔化增材制造方法，具体如下：
1)称取质量配比为80:20的W粉体和Nb粉体，其中W粉体的粒径范围为5-25μm，Nb粉体的粒径范围为5-15μm，然后将W粉体和Nb粉体放入三维混料机的混料容器中，关闭三维混料机的混料容器。然后，启动三维混料机。带三维混料机混料时间至4h后，关闭三维混料机电源，然后取出已经混合均匀的W-20Nb粉体；
2)利用步骤1)所制得的粉体作为原材料，通过选区激光熔化设备打印W-20Nb合金构件，具体增材制造设备打印过程及激光加工参数与实施例1一致。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体，其特征在于，包括如下质量百分含量组分：Nb：2.0％-20％，余量W。
2.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体，其特征在于，W来源于纯金属钨粉末，粒径范围为5-25μm，含氧量不高于500ppm；Nb来源于纯金属铌粉末，粒径范围为0.5-15μm，含氧量不高于2000ppm。
3.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体，其特征在于，W和Nb来源于W-Nb的合金粉末。
4.一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)按权利要求1所述配比量称取W粉体和Nb粉体，其中W粉的粒径范围为5-25μm，Nb粉的粒径范围为0.5-15μm；2)将W粉体和Nb粉体采用三维混料机混粉，获得混合均匀的WNb合金粉体。
5.根据权利要求4所述的一种选区激光熔化增材制造用WNb合金粉体的制备方法，其特征在于，采用三维混料机混粉时，混粉时间3-8h，保护气体采用氩气。
6.一种选区激光熔化技术制备的高致密钨合金，其特征在于，以权利要求1-3任一所述WNb合金粉体作为原材料，通过选区激光熔化设备打印而得。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210709 |
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