《AFM》：通過將氬氣置換為氮氣，實現鎢零件的無裂紋LPBF增材制造
時間：2024-01-20 21:40 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年1月19日，來自加拿大麥吉爾大學采礦與材料工程系的研究人員通過改變傳統激光粉末床熔融技術加工零件的氬氣 (Ar) 保護氣氛圍，在氮氣 (N2) 氣氛下使用相同的工藝參數制造加工出了無裂紋鎢零件。相關研究以題為“Crack-Free Tungsten Fabricated viaLaser Powder
Bed Fusion Additive Manufacturing”的論文被發表在《AdvancedFunctional
Materials》期刊上。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202309304
由于鎢 (W)具有高熔點、高導熱性、氧化傾向以及晶界 (GB)
氧化物脆性等特點，鎢的增材制造一直都具有很大的挑戰性。W容易受到晶界 (GB) 開裂的影響，該開裂源于 bcc 晶體結構已知的延性至脆性轉變溫度
(DBTT)，在這種情況下，范圍在 473 至 673 K（200 至 400 °C)。DBTT取決于雜質水平、晶粒尺寸和應變狀態。晶界處的雜質偏析仍然是決定DBTT的主要因素。
在這項研究中，研究人員比較了使用氬氣 (Ar) 和氮氣 (N2) 構建氣氛，以研究LPBF 期間熔體界面處的 N元素是否可以置換掉熔液中的O元素，作為防止 W 開裂的潛在途徑。利用光學和掃描電子顯微鏡 (SEM)、硬度和機械測試研究了N元素對晶粒結構和硬度的影響。使用斷裂表面分析和能量色散光譜研究晶界氧化物偏析。
△圖 1.a) 本研究中制作的樣品照片，b) 樣品尺寸，顯示微觀結構表征的剖面。
△圖 2. 原始鎢粉末的 SEM 顯微照片。
△圖 3. 使用 a) 光學顯微照片、b)EBSD 顯微照片、c) 帶圖例的核平均取向誤差圖、d)KAM 圖直方圖和 e) 極圖表征 W-Ar 樣品
△圖 4. 使用 a) 光學顯微照片、b)EBSD 顯微照片、c) 帶圖例的核平均取向誤差圖、d)KAM 圖直方圖和 e) 極圖表征 W-N 樣品。
△圖5. a) W-Ar 和 b) W-N 的密度和平均裂紋長度與體積能量密度的關系。
△圖 6.a) W-Ar 和 b) W-N 的 SAM 顯微照片。
△圖 7. a) 計算的準平衡線（紅色）疊加在平衡 W-N 相圖上，b) 氮攝入機制示意圖。
△圖 8.a) XRD 分析圖，b) XRD LPA 和模擬的晶格參數，c) 顯示晶粒和晶界的 HRSEM 圖，d)顯示 W 中存在 N 和 O 的 EDS 譜。
△圖 9.a-c) 代表性 EBSD 顯微照片和硬度圖，表明晶粒取向對鎢顯微硬度的影響。
△圖 10. W-Ar 樣品 a) 低和b) 高的 SEM 斷口圖，顯示氧化物顆粒。
△圖 11. W-N 樣品 a) 低和 b)高兩種放大倍數的 SEM 斷口圖，顯示氧化物顆粒。
△圖 12.bcc-W 中的 a,c) O 和 bcc-W 中的 b,d) O 的擴散勢壘和電荷密度圖（帶 N 間隙）。
研究結果表明在Ar中生產的零件存在裂紋，裂紋處有氧化物沉淀物。另一方面，無裂紋的 W 樣品是在 N2 氣氛下生產的，無需任何額外的工藝修改，表明等離子體條件下氮活性增強導致LBPF部分氮含量增加，表明LPBF期間原位氮摻雜是可行的。在這兩種情況下，LPBF 樣品中的氧 (O) 含量與起始粉末相似。
有趣的是，對在氮氣中制造的樣品的分析表明，氮被保留在平衡固溶度極限之外，而斷裂表面的高分辨率電子顯微照片顯示晶界處的氧化物水平降低。觀察到在 N2 氣氛下處理的樣品硬度增加。為研究間隙氮對 W 中氧擴散的影響而進行的密度泛函理論 (DFT) 計算表明，溶解 N 的存在會阻礙 O 擴散。
通過將N引入W部分來減少O的擴散。這會導致晶界處的氧化物水平降低，從而導致更大的晶界內聚力。在 W 的典型 LPBF 加工中不可避免的裂紋被消除，且不會顯著影響 LPBF 部件的純度。利用 N2氣氛在 LPBF 中進行原位晶界工程，成功地證明了通過LPBF 制造的 W 晶界裂紋的抑制。
(責任編輯：admin)
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