后处理对选择性激光熔化钨-25%铼合金性能的影响

时间:2026年1月25日
来源:Journal of Alloys and Compounds

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选择性激光熔化制备的W-25%Re合金经HIP和烧结后处理,其相对密度平均提升1.00%和0.95%,最大密度分别达98.06%和98.09%,但未完全消除气孔和裂纹。微观结构呈现等轴晶且尺寸增大,残余应力显著降低。抗拉强度最高达910.31 MPa,优化加工参数结合后处理可制备高性能合金。

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张英英|王学兵|熊宁|刘学全
中国北京中央钢铁研究院,邮编100081

摘要

本研究探讨了后处理对选择性激光熔化(SLMed)钨-25%铼(W-25%Re,质量分数)合金的相对密度、微观结构、缺陷和拉伸性能的影响。经过热等静压(HIP)和烧结处理后,SLMed W-25%Re合金的相对密度平均增加了1.00%和0.95%,SLMed、HIP处理及烧结后的最大相对密度分别为97.76%、98.06%和98.09%。由于熔合不良导致的不规则孔洞相互连通并延伸至表面,使得HIP和烧结处理效果有限。SLMed W-25%Re合金中的连续裂纹在处理后大部分被消除,转变为不连续的链状孔隙,并未完全愈合。晶粒形态变为等轴晶粒,晶粒尺寸增大,同时残余应变也有所减小。经过HIP和烧结处理后,W-25%Re合金沿建造方向的最高抗拉强度分别达到910.31 MPa(样品C)和792.75 MPa(样品C)。因此,通过优化后处理工艺参数可以制备出高性能的W-25%Re合金。

引言

由于钨-25%铼(W-25%Re,质量分数)合金具有高熔点、良好的导热性和优异的高温强度,已被广泛应用于军事、航空航天和电气行业[1]、[2]。传统上,W-25%Re合金通常采用粉末冶金(PM)技术制造[3]、[4]。然而,其高硬度使得通过PM技术难以加工出复杂的几何形状[5]、[6]、[7]。选择性激光熔化(SLM)作为一种先进的制造方法,具有无可比拟的灵活性,非常适合批量生产或定制单个具有复杂结构的部件[8]、[9]、[10]、[11]。因此,利用SLM制备具有复杂内外结构的W-25%Re合金引起了众多研究人员的关注,这也扩展了其潜在的应用领域[12]、[13]。
在SLM加工过程中,激光功率、扫描速度、层厚等工艺参数对组件的相对密度、微观结构和缺陷有显著影响[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。Yamamoto等人[23]使用混合元素粉末作为原料制备了W-1%Re、W-3%Re和W-10%Re样品,获得了高密度(>98%)的样品,并发现铼元素存在明显偏析,这归因于SLM工艺的特性。铼元素的偏析会降低材料性能。Verma等人[24]使用预合金粉末制备样品,获得了相对密度为96.9%和显微硬度为377 HV的样品。先前的研究表明,仅通过优化参数无法消除SLMed W-Re合金中的缺陷。
为克服这些难题,人们已经采用后处理方法来提升增材制造部件的性能。例如热等静压(HIP)和高温烧结等后处理方法可以有效改善微观结构、缓解残余应力、消除缺陷并提高致密度、延展性以及机械和热性能。HIP结合了高温和等静压,是一种有效的提升增材制造部件性能的方法[25]、[26]。特别是,在多种不同材料的研究中,这些方法对于封闭微裂纹和孔隙非常有效。
Sun等人[27]发现,经过HIP处理后,AlSi10Mg合金的内部孔隙数量和尺寸显著减少。Shi等人[28]获得了未经处理和HIP处理后的钨样品的最大相对密度分别为95.91%和98.97%,相应的导热率提高至158 W·m^-1·K^-1。Chen等人[29]发现,HIP处理后的钨在室温下的平均导热率(133 W·m^-1·K^-1)比未经处理的样品(115 W·m^-1·K^-1)高出16%,且HIP处理对密度影响较小。Mao等人[30]表明,经过HIP处理后,增材制造的纯钨的压缩性能显著提升,抗压强度从944 MPa增加到1263 MPa,压缩应变从11.0%增加到16.0%。Yamamoto等人[31]指出,高温(1900 ℃)热处理后的SLMed钨能有效减少纳米孔的数量密度。Chen等人[32]发现,经过1700 ℃后热处理后的SLMed钨样品(相对密度:96%)表现出1261 MPa的峰值抗压强度,比未经处理的状态提高了65%。Eckley等人[33]制备了相对密度为97.6%的W-25%Re样品,经过HIP和氢退火处理后,相对密度分别增加了0.48%和2.3%,最高达到98.8%。SLMed、HIP和氢退火处理后的平均抗拉强度分别为294.6 MPa、505.4 MPa和659.8 MPa。
综上所述,后处理确实可以改善SLM组件的性能。然而,后处理对SLMed W-25%Re合金的相对密度、微观结构、缺陷和拉伸性能的影响仍需进一步研究。本研究中,首先通过SLM制备W-25%Re合金,然后进行HIP和烧结处理以改善其微观结构和性能,旨在评估和理解后处理对这些性能的影响。

样本制备和后处理

本研究使用球形W-25%Re预合金粉末(D50=18.419 μm)作为原料。所有W-25%Re合金样品均采用Farsoon Technologies(中国)的FS121M SLM系统制造,该系统配备了一台500 W的Yb:YAG光纤激光器,采用连续波激光模式(激光束直径为40 μm)。样品在W-25%Re合金基底上制备。激光功率(P)的范围为250 W至450 W,扫描速度(v)为200 mm/s至400 mm/s,层厚(t)为30 μm。

SLMed W-25%Re合金的相对密度分析

HIP和烧结处理可以减少SLMed W-25%Re合金的缺陷并提高其相对密度(RD)。如图1所示,处理前后测定了SLMed W-25%Re合金的RD。与未经处理的SLMed W-25%Re合金相比,所有样品的RD均有所改善,说明这两种处理方法均有助于提高其致密度。然而,处理后的RD仍取决于原始SLMed样品的RD水平。

结论

本研究详细探讨了后处理对SLMed W-25%Re合金的相对密度、微观结构、缺陷和拉伸性能的影响,以及优化工艺参数与后处理的结合对制备高性能W-25%Re合金的作用。主要结论如下:
  • (1)
    经过HIP和烧结处理后,W-25%Re合金的相对密度平均增加了1.00%和0.95%,SLMed、HIP处理及烧结后的最大相对密度分别为
  • 作者贡献声明

    熊宁:项目管理和资金申请。王学兵:撰写、审稿与编辑、数据管理、概念构思。刘学全:撰写、审稿与编辑。张英英:撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。

    利益冲突声明

    作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

    致谢

    本研究得到了国家重点研发计划(项目编号:2022YFB3705400)的支持。

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