西北有色院粉冶所研究团队在增材制造新型难熔金属方面取得进展

西北有色院粉冶所研究团队在增材制造新型难熔金属方面取得进展

发表期刊：Additive manufacturing (Elsevier旗下，国际增材制造领域内的权威期刊)

内容摘要

钨及钨合金等难熔合金材料在高温领域内具有广泛的应用。自2010年以来，Senk焊接件ov等人开发的WMoTaNb基难熔高熵合金，因其表现出优异的高温性能，成为了当前领域内的研究热点与前沿。但在该合金中，W和Ta的高熔点（分别为3410℃和2996℃）显着影响材料的高温耐久性，而熔点较低的Mo和Nb可以在完全凝固之前为晶界提供流体流动。然而，由于Mo和Nb的熔点与W的熔点差距较大，Mo和Nb会增加WMoTaNb高熵合金凝固过程中对凝固裂纹的敏感性。因此，合金元素的选择能否弱化成形过程中开裂倾向、保持合金高温性能又不损失其室温塑性特征具有重要意义。

Re元素具有极高的熔点（3180℃），能够有效缩小合金凝固区间。在此基础上，Re元素在钨和钨合金中具有的晶粒细化和增塑（合金软化，通过调节运动位错组态来降低其Peierls阻力）的特点，同时又能够有效提升合金的室温强塑性。限定范围内Re含量的提升，也能够有效降低W合金韧脆转变温度。

在上述理论分析的基础上，本文选择以W、Ta、Re元素粉末为原料，进行新型WTaRe三元合金的粉床电子束3D打印成形工艺和性能研究。试图通过成形工艺控制，在高温条件下熔化W-Ta-Re难熔合金粉末的同时，又能够通过的粉床电子束3D打印设备自身具有的粉末预热和熔化后热补偿，进而缓解合金内部残余热应力，从而制备出高致密度的WTaRe块体难熔合金。

图1(a)原始WTaRe粉末的混合物电位仪和(连接管b)W、(c)Ta和(d)Re的元素分布图

实验结果表明，Re元素的加入显著改善了材料的成形性，沉积态的WTaRe合金中为单向BCC结构，内部没有出现热裂纹等冶金缺陷。同时，得益于电子束熔化过程中的小微熔池特点，微观尺度下合金元素分布均匀无偏析，也没有类似于WMoTaNbRe难熔高熵合金中的富（Nb,Ta）颗粒析出。组织分析和力学性能的进一步测试结果表明，粉床电子束3D打印的新型WTaRe合金表现出了一定的各向异性，但强度和延伸率均显著优于现有报道的WMoTaNbRe高熵合金。表明该合金有望在高温领域内进行推广应用。

图2沉积态WTaRe合金的室温压缩应力-应变曲线

图3合金的微观组织、晶粒形态与断口分析结果

塑料成型机该研究成果以“Microstructure and mechanical properties of a newly developed WTaRe refractory alloy by selective electron beam melting”为题发表在国际增材制造领域内的权威期刊Additive Manufacturing，影响因子10.998。

文章作者：该工作的*作者为粉冶所学生肖邦博士，粉冶所贾文鹏研究员为通讯作者。