球形W-ZrC复合粉末在激光粉末床熔融钨合金中的裂纹抑制机制与性能提升研究

针对激光粉末床熔融(LPBF)制备纯钨部件存在的裂纹难题，研究人员创新性地采用喷雾造粒结合等离子球化技术制备球形W-ZrC复合粉末，显著提升部件致密度至98.8%，获得535 Hv显微硬度和1694 MPa抗压强度。该研究为第二相增强颗粒(ZrC)在增材制造中的均匀分布提供了新方案，对核聚变装置等离子体 facing components 的复杂构件制造具有重要价值。

　　

钨作为熔点最高(3420°C)的金属，在核聚变反应堆等离子体 facing components 领域具有不可替代性。然而，国际热核实验堆(ITER)所需的钨偏滤器具有复杂流道结构，传统加工技术因钨的高熔点、本征脆性而难以实现。激光粉末床熔融(LPBF)技术虽能成形复杂结构，但纯钨部件仍面临严重开裂问题——其根源在于低温滑移系缺乏导致的脆性断裂，以及LPBF过程中热应力集中。

中科院某研究所团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新采用喷雾造粒-等离子球化制备的球形W-ZrC复合粉末，通过LPBF成功制备出相对密度98.8%的部件。相较于机械混合法，该方法实现了ZrC纳米颗粒在钨基体中的原子级均匀分布，显微硬度达535 Hv，抗压强度1694 MPa，裂纹密度降低88.7%。

关键技术包括：1) 喷雾造粒结合等离子球化制备球形W-ZrC粉末(流动时间7.5 s/50g)；2) 优化LPBF工艺参数(扫描速度300 mm/s)；3) 通过EBSD分析晶界特性；4) 采用纳米压痕测试局部力学性能。

【结果分析】

熔池形貌显示：球形粉末形成的熔道连续无间隙，仅存在少量沿扫描方向的纵向裂纹。XRD证实ZrC与钨形成共格界面(d(110)_W≈d(200)_ZrC≈0.221 nm)，ZrC与晶界氧杂质反应生成ZrO₂熔体，有效填充微裂纹。EBSD分析表明：ZrC使平均晶粒尺寸从纯钨的25.4 μm降至8.7 μm，小角度晶界比例提升至61.3%，显著增强协调变形能力。

【机制阐释】

三重协同作用抑制裂纹：1) ZrC引起晶格畸变促进位错增殖；2) 纳米ZrO₂净化晶界；3) 细晶强化效应分散热应力。对比实验显示，机械混合法制备的样品存在ZrC团聚现象，而球形复合粉末使ZrC体积分数偏差从12.7%降至3.2%。

该研究突破传统机械混合法的局限性，为核聚变装置关键部件制造提供新思路。球形W-ZrC粉末的工业化应用，将推动ITER计划中复杂钨构件的批量化生产。未来研究可进一步探索ZrC含量梯度变化对热疲劳性能的影响。