激光熔化沉积钨合金的微观组织形成机理研究

Tungsten alloys are important ordance materials due to its high density and high strength.Ultra-fine/fine grained tungsten alloys have attracted much attention due to their good combinations of strength, ductility, toughness etc. Due to a high solidification rate, laser melting deposition (LMD) have shown an ablilty to produce large sized components with ultra-fine/fine grained structures. Applying LMD technique to the fabrication of tungsten alloys can probably produce a high quality tungsten alloy with fine structure, and solve the problem of the fabrication of large sized military components made of tungsten alloys.Until now, very few reports have been published about the preparation of tungsten alloys using LMD. In this project, tungsten alloys (W-Ni, W-Fe, W-Ni-Fe) will be fabricated using LMD, and the microstructure formation mechanism will be studied. Techniques like SEM, EBSD, TEM, EDS etc will be applied to focus on the formations of microstructure morphology, crystallographic orientation and element distribution during the LMD process. Numerical models of temperature field and flow field will be established for the deposition process. Mechanisms of nucleation/growth of tungsten alloys, and the melting, evaporation and solidification of alloy elements will be explored.

细晶化是提升钨合金强度、塑性、韧性等性能的重要手段，采用激光熔化沉积(LMD)技术制备钨合金有望利用其快速凝固特性获得具有细小组织的钨合金，且LMD技术能实现复杂形状大尺寸部件的成型，可解决传统粉末冶金液相烧结带来的样件变形和坍塌问题。目前关于钨合金的LMD成型方面的报道还较少，缺乏对其成型机理及成型件组织和性能的系统研究。本项目利用LMD技术制备钨基合金（W-Ni、W-Fe、W-Ni-Fe体系），拟从微观组织形成机理入手，采用扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射技术（EBSD）、透射电镜（TEM）、（能谱分析）EDS等技术手段研究钨合金成型过程中的微观组织演变机理，对组织形貌、晶体学取向关系、成分均匀化控制等方面进行深入的分析，模拟成型过程中的温度场、流场、应力场分布，探索钨合金的形核与长大机理，以及合金元素的熔化、蒸发、凝固机制等，为军用高性能钨合金大部件的研制提供理论基础。

钨合金在国防工业有着广泛的应用背景，但传统制备方式难以实现钨合金零部件的快速近净成形。本项采用激光熔化沉积（LMD）技术实现了W-Ni、W-Fe二元合金和W-Fe-Ni三元合金的单道、多道、单层、多层样品的制备，对成型样品进行了微观组织、成分、相结构的详细表征与分析，掌握了成型工艺参数、合金组元成分对于激光熔化沉积钨合金微观组织形成的影响。结果表明，二元合金主要由钨颗粒、钨枝晶、金属间化合物、粘接相组成。W-Fe合金相比于W-Ni合金，更容易生成钨的枝晶相以及金属间化合物。采用高功率、低扫描速率和LH扫描成形的方式也会促进枝晶组织的生成。由于枝晶与金属间化合物的大量存在，使得LMD制备的合W-Fe合金具有较大的脆性。LMD制备的三元W-Ni-Fe合金主要由钨颗粒与粘接相两相组成，成形组织与粉末冶金组织十分类似。采用重量配比为90W-7Ni-3Fe的混合粉制备的钨合金具有高达1050MPa的抗拉强度。未来将通过热处理研究其性能提升方法。钨含量超过90%的钨合金的制备还存在较大难题，需要更深入的工艺研究。现有研究结果表明，LMD技术有望实现高性能钨合金零部件的快速近净成形制造。