《AFM》：通过将氩气置换为氮气，实现钨零件的无裂纹LPBF增材制造

2024年1月19日，南极熊获悉，来自加拿大麦吉尔大学采矿与材料工程系的研究人员通过改变传统激光粉末床熔融技术加工零件的氩气 (Ar) 保护气氛围，在氮气 (N2) 气氛下使用相同的工艺参数制造加工出了无裂纹钨零件。

相关研究以题为“Crack-Free Tungsten Fabricated viaLaser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing”的论文被发表在《AdvancedFunctional Materials》期刊上。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202309304

由于钨 (W)具有高熔点、高导热性、氧化倾向以及晶界 (GB) 氧化物脆性等特点，钨的增材制造一直都具有很大的挑战性。W容易受到晶界 (GB) 开裂的影响，该开裂源于 bcc 晶体结构已知的延性至脆性转变温度 (DBTT)，在这种情况下，范围在 473 至 673 K（200 至 400 °C)。DBTT取决于杂质水平、晶粒尺寸和应变状态。晶界处的杂质偏析仍然是决定DBTT的主要因素。

在这项研究中，研究人员比较了使用氩气 (Ar) 和氮气 (N2) 构建气氛，以研究LPBF 期间熔体界面处的 N元素是否可以置换掉熔液中的O元素，作为防止 W 开裂的潜在途径。利用光学和扫描电子显微镜 (SEM)、硬度和机械测试研究了N元素对晶粒结构和硬度的影响。使用断裂表面分析和能量色散光谱研究晶界氧化物偏析。

△图 1.a) 本研究中制作的样品照片，b) 样品尺寸，显示微观结构表征的剖面。

△图 2. 原始钨粉末的 SEM 显微照片。

△图 3. 使用 a) 光学显微照片、b)EBSD 显微照片、c) 带图例的核平均取向误差图、d)KAM 图直方图和 e) 极图表征 W-Ar 样品

△图 4. 使用 a) 光学显微照片、b)EBSD 显微照片、c) 带图例的核平均取向误差图、d)KAM 图直方图和 e) 极图表征 W-N 样品。

△图5. a) W-Ar 和 b) W-N 的密度和平均裂纹长度与体积能量密度的关系。

△图 6.a) W-Ar 和 b) W-N 的 SAM 显微照片。

△图 7. a) 计算的准平衡线（红色）叠加在平衡 W-N 相图上，b) 氮摄入机制示意图。

△图 8.a) XRD 分析图，b) XRD LPA 和模拟的晶格参数，c) 显示晶粒和晶界的 HRSEM 图，d)显示 W 中存在 N 和 O 的 EDS 谱。

△图 9.a-c) 代表性 EBSD 显微照片和硬度图，表明晶粒取向对钨显微硬度的影响。

△图 10. W-Ar 样品 a) 低和b) 高的 SEM 断口图，显示氧化物颗粒。

△图 11. W-N 样品 a) 低和 b)高两种放大倍数的 SEM 断口图，显示氧化物颗粒。

△图 12.bcc-W 中的 a,c) O 和 bcc-W 中的 b,d) O 的扩散势垒和电荷密度图（带 N 间隙）。

研究结果表明在Ar中生产的零件存在裂纹，裂纹处有氧化物沉淀物。另一方面，无裂纹的 W 样品是在 N2 气氛下生产的，无需任何额外的工艺修改，表明等离子体条件下氮活性增强导致LBPF部分氮含量增加，表明LPBF期间原位氮掺杂是可行的。在这两种情况下，LPBF 样品中的氧 (O) 含量与起始粉末相似。

有趣的是，对在氮气中制造的样品的分析表明，氮被保留在平衡固溶度极限之外，而断裂表面的高分辨率电子显微照片显示晶界处的氧化物水平降低。观察到在 N2 气氛下处理的样品硬度增加。为研究间隙氮对 W 中氧扩散的影响而进行的密度泛函理论 (DFT) 计算表明，溶解 N 的存在会阻碍 O 扩散。

通过将N引入W部分来减少O的扩散。这会导致晶界处的氧化物水平降低，从而导致更大的晶界内聚力。在 W 的典型 LPBF 加工中不可避免的裂纹被消除，且不会显着影响 LPBF 部件的纯度。利用 N2气氛在 LPBF 中进行原位晶界工程，成功地证明了通过LPBF 制造的 W 晶界裂纹的抑制。