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LPBF工藝中鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究（轉(zhuǎn)）

閱讀次數(shù)：2400 發(fā)布時間：2020-09-14

鎢的熔點高達3000℃以上

，是典型的難熔金屬，難成形材料

，適用于極端溫度環(huán)境中的應(yīng)用

，例如燈絲

、電弧焊、輻射屏蔽零件

，或作為聚變堆中的等離子體第一壁材料

。鎢是一種戰(zhàn)略性資源，如果可以克服難加工的瓶頸

，其發(fā)展前景不可小覷

。

由于粉末床激光熔化(LPBF)增材制造工藝能夠創(chuàng)造復(fù)雜的幾何形狀，對于鎢材料加工來說是個不錯的選擇

，利用這一技術(shù)可以開辟鎢的新應(yīng)用

。但是鎢固有的脆性以及增材制造時發(fā)生的微裂紋會損害結(jié)構(gòu)的完整性，阻礙了鎢金屬3D打印的廣泛應(yīng)用

。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學(xué)家開展了一項表征鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究

，他們將熱機械仿真與在粉末床激光熔化金屬3D打印過程中拍攝的高速視頻相結(jié)合，首次能夠?qū)崟r觀察鎢金屬的韌性到脆性轉(zhuǎn)變（DBT）

，觀察到了微裂紋是如何隨著金屬的加熱和冷卻而引發(fā)和擴散

。研究團隊能夠?qū)⑽⒘鸭y現(xiàn)象與殘余應(yīng)力，應(yīng)變速率和溫度等變量相關(guān)聯(lián)

，并確認是由DBT 引起裂紋

。

為無裂紋增材制奠定基礎(chǔ)

這項研究最近發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上，論文揭示了3D打印鎢裂紋產(chǎn)生的基本機理

，為將來通過粉末床激光熔化工藝制造無裂紋的鎢金屬零件奠定基礎(chǔ)

。

論文談到，韌性到脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)決定了實際工作范圍的溫度下限

。在較高溫度下相對容易移動的螺型位錯會在低溫下變得無法移動

，從而導(dǎo)致較低溫度下塑性的突然急劇降低。韌脆轉(zhuǎn)變(DBT)發(fā)生在室溫(473-673開爾文（K）以上)并且在高溫處理冷卻下來時不可避免地會發(fā)生

，此時

，加工引起的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致微裂紋。

韌性到脆性轉(zhuǎn)變溫度很大程度上取決于間隙雜質(zhì)含量

。當氧雜質(zhì)含量從10 ppm小幅增加到50 ppm時

，則該轉(zhuǎn)變溫度從623K增加到823K。在粉末床激光熔化3D打印工藝中，快速且重復(fù)的局部加熱

、固化和冷卻循環(huán)會產(chǎn)生高殘余應(yīng)力

，從而導(dǎo)致變形、開裂

，并影響零件機械性能

。在一些關(guān)于鎢增材制造研究中，已有大于98%高密度的報道

，但是沒有一個能夠避免微裂紋的形成

。

論文談到，合金化與調(diào)整工藝參數(shù)是改善微裂紋的兩種可能的方法

，但成功率仍然有限

。例如，通過在原始鎢粉中添加納米級ZrC粉末來減少裂紋

，導(dǎo)致晶粒尺寸減小了50％

。在通過工藝參數(shù)調(diào)整來減少裂紋的方式中，主要方式是將打印基板預(yù)熱

，當預(yù)熱至673K時未帶來明顯改善

，預(yù)熱至1273K 時觀察到裂紋減少。

盡管現(xiàn)在已經(jīng)知道韌脆轉(zhuǎn)變(DBT)是鎢3D打印中產(chǎn)生微裂紋的原因

，但由于研究僅限于對裂紋的事后檢驗階段

，因此仍缺乏對其形成的基本了解。LLNL 實驗室的研究則是利用鎢單軌的現(xiàn)場高速視頻將鎢金屬的韌脆轉(zhuǎn)變可視化

，更詳細地研究了工藝參數(shù)和熔體幾何形狀對裂解機理的影響

。

研究結(jié)果（部分）

▲激光功率P-掃描速度v-光束直徑?；紅色標記表示導(dǎo)致縱向裂紋的參數(shù)組合

。

來源：sciencedirect.com

上圖為這項研究中所使用的參數(shù)集

，參數(shù)集覆蓋的線性能量輸入P / v在0.6 < P / v<6 J / mm之間。如圖中紅色標記所示

，對于高激光功率

，沿軌道中心線出現(xiàn)縱向裂縫。

l 熔池行為

▲（a）P = 300 W

，v = 300 mm / s

，? = 100 μm，（b）P = 450 W

，v = 100 mm / s

，? = 100 μm ，熔池頂部表面和橫截面

。裂紋網(wǎng)絡(luò)隨熔池大小而縮放

，在（a）中淺，但在（b）中深

，導(dǎo)致裂紋深入地滲透到基底中

，如右圖所示。黑色箭頭表示橫向裂紋

。

來源：sciencedirect.com

上圖顯示了在這項工作中遇到的兩個代表性熔池幾何形狀

。與316 L或AlSi10Mg之類的金屬合金相反，鎢在通過粉末床激光熔化3D打印時沒有明確定義的熔池邊界

。相反

，外延生長和平面凝固前沿可確保基材微觀結(jié)構(gòu)和凝固結(jié)構(gòu)之間存在無縫過渡

，就像其他純金屬Ta 或凝固范圍較小的Ti6Al4V 合金一樣

。

在這項工作中，基體微觀結(jié)構(gòu)由垂直于掃描道表面的細長晶粒組成

，類似于鎢增材制造過程中沿構(gòu)建方向發(fā)展的細長晶粒

。在這項工作中，基體微觀結(jié)構(gòu)和單一掃描軌跡代表了增材制造期間形成的微觀結(jié)構(gòu)

，并且進入基材的裂紋路徑類似于先前遇到的垂直裂紋

。

開裂行為

▲掃描軌跡的共焦圖像（v = 300 mm / s，P = 400 W

，?= 100 μm）

，指示軌跡周圍引起裂紋的區(qū)域。

來源：sciencedirect.com

上圖所示的掃描軌跡周圍的裂紋網(wǎng)絡(luò)代表了大多數(shù)參數(shù)集的裂紋模式

。裂紋在掃描矢量上大體上是橫向的

，但仍然附著在晶界上，在大約是熔體寬度的3-4倍的區(qū)域內(nèi)被分支裂紋網(wǎng)絡(luò)包圍

。

▲高速視頻1

來源：sciencedirect.com

▲高速視頻2

來源：sciencedirect.com

裂紋溫度

▲掃描軌跡的Diablo熱模型俯視圖

，并用箱形圖表示出現(xiàn)裂紋的溫度范圍。

來源：sciencedirect.com

上圖顯示了由激光器以v = 100 mm / s

，P = 450 W和? = 100 μm左右移動的激光所產(chǎn)生的熱場

，其中激光器位于x = 0.9毫米。模擬的熔池與實驗一致

，是一個接近完美的圓

，并且由于鎢的高導(dǎo)熱性，即使在較高的速度下

，長寬比也很小

。凝固前沿的縱向熱梯度超過3×10-7 K/m，而冷卻速率接近5×10-6 K/s

。

結(jié)論

根據(jù)LLNL 實驗室對于這項研究結(jié)果的總結(jié)

，通過使用 Diablo有限元代碼進行的實驗觀察和計算模型，研究人員發(fā)現(xiàn)溫度在450至650開爾文之間時鎢產(chǎn)生微裂紋，并且取決于應(yīng)變率

，而應(yīng)變率直接受工藝參數(shù)的影響

。他們還能夠?qū)⒘鸭y影響區(qū)域的大小和裂紋網(wǎng)絡(luò)形態(tài)與局部殘余應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。掃描軌跡周圍受裂紋影響的區(qū)域大小由最大馮·米塞斯應(yīng)力確定

，而裂紋網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)則取決于主應(yīng)力的局部方向

。LLNL研究團隊正在使用結(jié)果評估工藝和合金改性等緩解裂紋的方式，這些發(fā)現(xiàn)以及為該研究開發(fā)的診斷方法對于LLNL 團隊實現(xiàn)3D打印無裂紋鎢零件的最終目標至關(guān)重要

。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察

，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備CT 所需的3D打印鎢金屬防散射濾線柵是鎢增材制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。在新冠狀病毒疫情爆發(fā)以來

，醫(yī)學(xué)影像CT設(shè)備的需求量增長

，也帶動了影像設(shè)備廠商對于3D打印鎢金屬防散射濾線柵的需求。

▲來源：Dunlee

飛利浦旗下影像設(shè)備零部件制造商Dunlee 在今年增加了醫(yī)學(xué)影像設(shè)備CT 所需的3D打印鎢金屬防散射濾線柵的產(chǎn)量

，從而支持新冠狀病毒（COVID-19）流行期間的CT 檢查需求

。Dunlee與3D打印合作伙伴 EOS 公司合作增加新的打印設(shè)備，并對現(xiàn)有設(shè)備進行微調(diào)以增加產(chǎn)量

。Dunlee 采用的制造材料為純鎢, 并使用了創(chuàng)新的粉末床激光增材制造工藝

。

▲鉑力特打印100%純鎢材料光柵

來源：鉑力特

目前，金屬3D打印企業(yè)鉑力特已向客戶交付了4臺用于純鎢3D打印的定制參數(shù)設(shè)備

。2016年成功打印出鎢光柵之后

，鉑力特通過反復(fù)調(diào)整、驗證其選區(qū)激光熔化3D打印設(shè)備BLT-S210的工藝參數(shù)

，協(xié)助用戶研制出薄壁的最小成形尺寸為100 μm

，遮光度近100%的純鎢光柵，并幫助用戶順利投入生產(chǎn)使用

。

盡管仍充滿挑戰(zhàn)

，但基于粉末床激光熔化3D打印工藝所開展的鎢增材制造應(yīng)用已在商業(yè)化的路上。

參考資料：

BeyVrancken et.al. Analysis of laser-induced microcracking in tungsten under additive manufacturing conditions: Experiment and simulation.Acta Materialia

，Volume 194.

本文轉(zhuǎn)自3D科學(xué)谷

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