激光立体成形高比重钨合金枝晶-梯度复合界面协同强韧化调控机理

Laser solid forming(LSF) technology can directly fabricate complex metallic components rapidly and cost-effectively. It shows unique advantages to fabricate tungsten heavy alloy parts with curved structures. However, the interface of tungsten particle and Ni/Fe matrix phase formed in the LSF process is easily cracked during the load-bearing process, resulting in low toughness. Achieving a metallurgical interface with high binding force and hindering the dislocation slip to the interface is a feasible way to solve this problem. .This project proposes an innovative approach that can realize a dendrite-gradient composite interface to simultaneous strengthen and toughen the LSFed sample. By controlling the laser energy density to melt the surface of tungsten particles and combining the gradient interface element controlling technology, the solidified dendritic interface structure and gradient W atom distribution feature can be obtained successively. .Therefore, the melting behavior of the powders and the solidification thermodynamic characteristics during the LSF process should be investigated. The growth mechanism of W dendrites should be revealed. Through the quantitative analysis of the diffusion behavior, the formation mechanism of the gradient interface should be clarified. Additionally, the failure behavior and the interaction process between the dislocation motion and interface should be investigated. The synergistic strengthening and toughening mechanism of W dendrites and gradient interface atoms should be revealed. The results will lay a scientific foundation for breaking through the performance bottleneck of the LSFed tungsten heavy alloy.

激光立体成形技术由于能够实现较复杂形状金属构件快速、近净成形，在曲面高比重钨合金零部件的制造领域展现出独特优势。但“快速加热、急剧冷却”条件下形成的钨颗粒-Ni/Fe基体相界面在承载过程中易开裂，导致强韧性偏低等问题。实现高结合力的冶金界面并阻碍位错向界面滑移，是解决这一难题的可行途径。本项目提出控制激光能量密度使钨颗粒表层熔化获得凝固枝晶界面结构，结合梯度界面元素调控技术，实现枝晶-梯度复合界面协同强韧化精准调控的创新思路。研究激光作用下，粉末熔化行为及界面凝固热力学特征，揭示W枝晶的生长机制。通过界面区域W、Ni、Fe的定量表征及其扩散行为分析，明晰梯度界面的形成机制。结合调控后界面的断裂失效行为分析及位错运动与界面的交互作用规律，揭示W枝晶和梯度界面原子的协同强韧化机制。为突破激光立体成形高比重钨合金性能瓶颈奠定科学基础。

高比重钨合金由于具有高密度、高强度、高耐磨性及低的热膨胀系数等优点，在精密物理实验、航空航天、原子能等尖端技术领域具有广泛而重要的应用。然而，这些零件往往形状复杂，通常包含孔、槽、变截面等特征，由此给传统的“粉末冶金+机械加工”的制造工艺流程提出了严峻的挑战。近些年迅猛发展起来的激光立体成形技术在复杂结构件的快速自由成形方面展现出了独特优势，很好的契合了高比重钨合金在工业领域的制造需求。然而，激光立体成形过程中非平衡的凝固特征使得高比重钨合金强韧化力学性能偏低，与传统制造技术相比仍然存在一定差距，无法满足先进工业领域对钨基构件苛刻的使役性能需求。为此，本项目重点开展了激光立体成形高比重钨合金断裂失效机制及其力学性能调控方法研究。结果表明，激光立体成形90W-7Ni-3Fe合金存在四种典型的断裂失效行为：即W颗粒解理断裂 (W)，W-W界面分离(W-W)，W-M界面分离(W-M)和基体相韧性撕裂(M)。此外，与粉末冶金相比，激光立体成形快速加热、急剧冷却的工艺过程，使得W-M界面结合力偏弱，裂纹源主要萌生于W-M界面及其内部微纳孔洞处。基于此，本项目提出了适用于激光立体成形高比重钨合金的后热处理制度。经过1450℃-2h-FC的真空热处理，可以显著改善激光立体成形90W-7Ni-3Fe合金的宏微观组织及其力学性能特征，提高基体相和钨颗粒的协调变形能力，避免W-M界面早期开裂失效，从而在抗拉强度几乎保持不变的情况下，延伸率从3.4%提升至17.5%，达到/超过粉末冶金水平。此外，探索了循环热处理对激光立体成形90W-7Ni-3Fe合金显微组织及力学性能的影响，结果表明，经过1400℃-1200℃-5次的交替循环热处理，钨颗粒尺寸不发生显著粗化，同时可以弥合其内部微纳孔洞，增强W-M界面结合特性，从而同步提升激光立体成形高比重钨合金的强度及塑性。