通过多组分合金粘结剂采用激光定向能量沉积技术制备的钨重合金，其强度得到提升

《Materials Science and Engineering: A》：Enhanced strength of tungsten heavy alloys fabricated by laser directed energy deposition via a multicomponent alloy binder

　　

袁媛|齐磊|王梓|陈辉|韩勇

中国湖南长沙，中南大学粉末冶金国家重点实验室，邮编410083

摘要

通过激光定向能量沉积技术制备的传统W-NiFe合金通常具有较差的力学性能。在此，我们开发了一种新的多组分合金粘结剂，其化学组成为Ni_2.5FeCo_0.5V_0.6Al_0.3，并利用该粘结剂通过DED技术制备了相应合金。与经DED处理的W-NiFe合金相比，采用这种MCA粘结剂的钨重合金形成了具有明显元素偏析的蜂窝状凝固结构。这种蜂窝结构以及细胞壁间的元素分布有助于提高位错存储能力并减缓位错运动，从而在塑性变形过程中形成大量多方向平面滑移带，并发展出次级蜂窝状亚结构。因此，W-MCA合金表现出更强的应变硬化效应，其极限抗拉强度提升了18%，断裂应变提高了33%，动态压缩屈服强度提升了25%，均优于W-NiFe合金。这些研究结果强调了粘结剂设计在调控凝固微观结构及提升增材制造钨重合金力学性能方面的关键作用。

引言

增材制造技术为钨重合金的应用带来了新机遇[1]。它能够实现高密度、复杂几何形状的部件的近净成形，而这些形状通过传统方法很难实现[2]、[3]。在各类增材制造工艺中，激光定向能量沉积技术因其较高的构建速度、几何形状的可扩展性以及灵活的材料输送方式，在部件制造和修复领域尤为适用。然而，目前通过DED技术制备的钨重合金通常仍采用传统的NiFe粘结剂，因此所获得的合金往往具有较低的极限抗拉强度和伸长率[4]，这限制了它们在诸如穿甲弹和核能应用等对性能要求较高的领域的应用[5,6]。

钨重合金通常被视为金属基复合材料，由嵌入在相对较软的金属粘结剂中的硬质钨颗粒组成。它们的拉伸性能取决于钨相与粘结剂之间的共同变形和载荷分配情况，以及两者界面的完整性。在DED工艺带来的高度非平衡热循环条件下（快速凝固和反复再加热），粘结剂容易形成不均匀的凝固结构，而这会显著影响位错存储、滑移传递以及损伤演化过程[7,8]。因此，控制粘结剂的成分[9,10]及其对应的凝固微观结构对于提升增材制造钨重合金的强韧平衡性能至关重要[11]。

为提升增材制造钨重合金的拉伸性能，人们已经尝试了多种方法，包括通过调节热输入来优化粘结剂微观结构[12]、引入氧化物以增强基体强度[13]，以及通过微量合金化来调整粘结剂强度[14]。虽然工艺优化可以改善微观结构特征，但由此带来的极限抗拉强度和伸长率的提升通常较为有限，且极易受加工参数的影响[15,16]。基于分散相的策略和氧化物添加虽可增强基体强度，但其带来的延展性提升效果往往并不一致[17]。单元素合金化虽能改变粘结剂强度，但当需要同时兼顾强度和延展性时，其提升效果仍然不够理想[18,19]。近年来，人们提出了异质结构粘结剂以提升某些性能指标。不过，关于DED制备的钨重合金中强韧平衡机制的微观结构原理，目前仍缺乏深入理解。

我们之前的研究[1,20]表明，MCA粘结剂能够在DED工艺下引发具有明显元素偏析的蜂窝状凝固现象。这种由元素偏析导致的蜂窝状微观结构有助于调控位错行为，进而提升材料的应变硬化能力以及强韧协同性能。

在本研究中，我们在MCA粘结剂（W-Ni_2.5FeCo_0.5V_0.6Al_0.3）中加入了铝元素，旨在进一步调控元素分布行为，并精确控制DED工艺下的蜂窝结构尺寸。我们将新制备的钨重合金与传统W-NiFe合金进行对比，以便更深入地了解元素偏析调控的微观结构与拉伸性能之间的内在关联。通过微观结构分析，以及准静态拉伸试验和动态压缩试验，我们研究了不同加载条件下的材料变形和损伤机制。

章节节选

材料与方法

粒径为53-150?μm的球形钨粉购自中国广东的 Yinna 公司。粒径为15-53?μm的球形镍、铁、钴、钒和铝粉则购自中国北京的 Ryubon 公司。这些原始粉末按照2.5:1:0.5:0.6:0.3的原子比，在V型混合器中以20?rpm的速度混合2小时。随后，按重量比90:10（钨:粘结剂）将钨粉加入混合好的粘结剂粉末中，再次混合2小时，从而得到

结果与讨论

图1展示了打印得到的W-NiFe合金和W-MCA合金的表面形态。如图1a和d所示，球形钨颗粒均匀分布在粘结剂基体中，形成了明显的双相结构。通过扫描电镜能量色散谱分析得到的平均成分见表1。W-NiFe合金和W-MCA合金中的钨含量分别为64.2?±?0.3?at.%和62.9?±?0.4?at.%，说明两种材料中的钨含量相近。对于每种

结论

在本研究中，我们分别制备了采用传统NiFe粘结剂和MCA粘结剂通过DED工艺处理的钨重合金，并对其进行了系统比较。与采用NiFe粘结剂的W-NiFe合金相比，采用MCA粘结剂的W-MCA合金形成了独特的蜂窝状微观结构，且其力学性能有了显著提升。主要结论如下：

• (1)
  W-NiFe粘结剂具有相对均匀的微观结构，而WHA-MCA粘结剂则形成了具有明显铝和钒元素偏析特征的蜂窝状结构

作者贡献声明

袁媛：概念构思、实验研究、初稿撰写、论文审阅与修改。齐磊：论文审阅与修改。王梓：论文审阅与修改。陈辉：论文审阅与修改。韩勇：资金筹措、论文审阅与修改。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52371041、52501047）以及中国湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ6173）的资助。作者还要感谢湖南纳维新材料科技有限公司（navi-sci.cn）以及eceshi公司（www.eceshi.com）在透射电镜、X射线衍射、扫描电镜和电子背散射衍射测试方面给予的帮助。