纯钨（W）或钨合金（WAs）由于其高熔点、高密度、高硬度和强度以及低热膨胀系数，是等离子体面对材料、加热元件、医学放射屏蔽和火箭点火管等应用的理想工程材料[[1], [2], [3]]。然而，由于多晶钨在室温下的较差成形性，其应用受到限制[4]。由于钨的脆性-韧性转变温度（DBTT）非常高（约200°C–400°C），且室温下非常脆，因此对其进行加工和机械加工以制造复杂几何形状非常困难[5,6]。传统的制造工艺如机械加工、粉末冶金和粉末注射成型已被用于生产航空航天结构用钨合金部件，但效果有限[7]。激光束粉末床熔融（PBF-LB）增材制造（AM）工艺可以通过逐层选择性熔化金属粉末来构建复杂几何形状，这使得高温难熔钨合金成为使用PBF-LB工艺探索的有希望的选择。
通过控制工艺参数、基底加热、重熔和扫描策略，抗裂纹PBF-LB钨合金的研究一直在不断进展[[8], [9], [10], [11], [12]]。然而，至今尚未有完全无裂纹的钨合金被报道[[13], [14], [15], [16]]。使用PBF-LB打印钨合金部件时面临的主要难题包括微裂纹、脆性氧化物相以及熔合不良[17,18]。尽管基底加热有助于通过将构建温度提升至DBTT以上来减少微裂纹，但由于钨的熔点非常高，其效果有限，而且预热也仅取得了有限的成功[19]。杂质（如氧，含量在10–50 ppm范围内）的存在理论上可使DBTT提高约200°C[20]。因此，仅靠基底加热和工艺参数控制不足以降低DBTT并设计出无裂纹的PBF-LB钨合金。先前的研究已经探讨了工艺参数对微裂纹的控制，达到了98%的密度，能量密度为397 J/mm³，这归因于W和Nb颗粒的完全熔化[10]。Sidambe等人在2019年使用能量密度为350 J/mm³时实现了98%的相对密度，尽管在WAs的PBF-LB过程中仍观察到裂纹[21]。此外，使用粒径更小的球形粉末时，相对密度在能量密度为1000 J/mm³时提高到了98.4%[22]。尽管付出了这些努力，但仅通过工艺参数优化仍无法完全消除WAs在PBF-LB过程中的微裂纹。由于PBF-LB过程中构建复杂几何形状时反复的加热和冷却循环，裂纹成为一个重要问题[23,24]。因此，除了控制工艺参数外，还需要通过合金化和设计新的适合PBF-LB打印的钨合金来解决DBTT和微裂纹问题[25]。
预先用Cr、Mo、Ni、Ti、V和Zr等元素对W进行合金化可以适度降低微裂纹，但这种改进往往是以降低高温机械强度为代价的[[26], [27], [28], [29], [30], [31]]。添加Re可以通过固溶合金化减小晶粒尺寸并激活额外的{112}滑移面来提高韧性，这种现象称为固溶软化[32,33]。然而，由于Re具有较高的中子吸收率且是一种昂贵的稀土金属，因此正在探索其他合金元素以实现类似的效果[34]。向W中添加Ta可以略微减小晶粒尺寸，减少合金元素的偏析，并在成分过冷过程中减轻微裂纹[15]。此外，Ta在较高温度下还能增强强度和硬度；然而，Rieth等人报告称，随着Ta含量的增加（约1%至5%），断裂韧性会降低[30]。与Ti合金化至4%时，虽然烧结过程中晶粒尺寸增大，但韧性 và强度有所改善[35,36]。然而，由于Ti在W中的溶解度较低，因此无法降低DBTT。此外，Ti会在600°C时在晶界处形成夹杂物，加速晶间裂纹[36]。最近，人们研究了分散强化碳化物和氧化物颗粒（如TiC、ZrC、TaC、Y₂O₃和La₂O₃），其分散体尺寸从纳米到微米不等[37,38]。虽然已经研究了用Y、Zr、La（作为氧化物形成剂）和Ta、Ti、Zr（作为碳化物形成剂）合金化W，但相关资料仍然有限[39]。由于缺乏全面的热力学数据库，理解控制裂纹敏感性的机制以及间隙溶质（如C、N和O）的作用仍然具有挑战性[[40], [41], [42]]。
选择合金元素对于设计PBF-LB钨合金至关重要，因为它直接影响对其抗裂纹行为的理解和建模。在本研究中，合金元素的选择基于以下考虑：第五族难熔元素Nb和Ta具有相似的特性，由于较高的自扩散性，可以增强高温强度和抗蠕变性能。添加Nb比Ta更具成本效益（密度为8.58 g/cm³，而Ta的密度为16.65 g/cm³）。此外，Nb的熔点高于Ti、Cr、Ni和V，并且在固态和液态下完全可溶，有利于有效的合金化。添加Nb有助于形成纳米级的Nb₂O₅分散体，从而提高耐腐蚀性并抑制脆性W氧化物的形成[[43], [44], [45]]。在我们之前对W-Nb-C合金的研究中，含C的共晶终端凝固实现了无裂纹的构建[46]。计划添加间隙C对于形成硬质碳化物是必要的。碳化物的粗化速度比氮化物和氧化物慢[39]。在PBF-LB过程中反复的热循环中，C会扩散并在部分熔化状态下形成稳定的金属碳化物。共晶相和金属碳化物的共同存在有助于提高PBF-LB处理后的钨合金的抗裂纹性能。虽然现代工具已经引入了碳化物来增强强度和细化晶粒，但间隙溶质在WAs凝固过程中的作用尚未在实验研究中得到报道。在从高温凝固的过程中，C作为变质剂可以细化晶粒尺寸，将AM中常见的柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒[[47], [48], [49]]。碳还与过量氧气反应生成CO和CO₂，从而减少与氧化物相关的缺陷。此外，它与W形成共晶相，从而提高打印性能。
在这项工作中，利用显微镜和纳米压痕技术研究了快速凝固过程中纳米到微米尺度上的热化学力学效应，并通过优化工艺参数，实现了无裂纹W-10Nb-xC（x = 0.45, 1.0）合金的设计和制造。纳米到微米尺度的力学性能与动态微观结构演变相关联，包括成分过冷以及三元W-Nb-C系统原位合金化过程中次级金属碳化物的形成。此外，还采用了传热-材料流动模型，并结合Thermo-Calc数据库，以理解裂纹敏感性问题以及间隙C在设计新型无裂纹PBF-LB钨合金中的作用。
