Y2O3和ZrC分散的激光粉末床熔融钨材料中的微观结构重建与裂纹路径演变

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure Reconstruction and Crack-Path Evolution in Y 2O 3- and ZrC-Dispersed Laser Powder Bed Fused Tungsten

　　

摘要

钨的激光粉床熔融（LPBF）过程受到快速凝固和重复热循环下裂纹形成的强烈限制。本研究分别制备了纯W、W-0.5 wt.% Y?O?和W-0.5 wt.% ZrC样品，在相同的LPBF工艺条件下，探讨了氧化物和活性碳化物分散体对微观结构重构及裂纹路径演化的影响。在检验的100倍放大截面区域内，W-Y?O?样品的总缺陷投影分数最低，为0.28%，裂纹投影面积为0.17%。晶界拓扑分析显示其具有高角度晶界网络（高角度晶界占比90.6%）、三重交界密度为15.01 × 103 mm?2以及裂纹段长度约为8.85 μm，这些特性为有效控制裂纹路径提供了结构基础。相比之下，W-ZrC样品表现出较强的基体硬化效应，这得益于ZrC颗粒的保留；同时存在大量低角度/亚晶界，并形成了位错/亚晶结构，尽管其裂纹投影面积为0.75%，但横向裂纹较为明显（裂纹长度占比57.8%，裂纹面积占比60.3%）。透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜能量 dispersive spectroscopy（SEM-EDS）进一步证实了ZrC颗粒的保留、局域化的ZrO?相关区域以及富碳裂纹特征的存在。结合热力学分析，这些发现支持了W-ZrC系统中可能存在部分氧介导的界面重构。结果表明，基体强化与裂纹路径抑制并不总是同时发生，说明晶界拓扑和界面化学稳定性是LPBF钨材料设计中的关键因素。

引言

钨的激光粉床熔融（LPBF）技术不仅受到致密化的限制，还面临着提升局部强度与抑制长距离裂纹传播的挑战。在剧烈的热梯度、快速凝固和重复加热过程中，LPBF钨材会形成非等轴微观结构、残余拉应力、局部取向梯度和化学性质不均匀的界面[1][2][3][4]。对于本质脆性的难熔金属而言，这些因素不仅会导致孤立缺陷的产生，还会形成连续的晶界路径、亚晶界路径和近层间路径，从而使得裂纹在有限塑性松弛的情况下扩展[5][6]。因此，LPBF钨材的裂纹抗性设计不仅需要最大化相对密度、硬度或抗压强度，还需要通过微观结构和化学设计来控制易裂界面的连续性或分割性。

对于钨材而言，裂纹控制问题尤为重要，因为它在聚变反应堆中作为等离子体面对材料至关重要[7][8]。钨具有高熔点、低溅射效率及低氢同位素保留率，但其体心立方结构、高脆性转变温度和有限的室温塑性使得LPBF冷却过程中的热应力松弛变得困难[9][10][11]。连续的凝固相关界面、杂质或氧化物改性的界面以及局部应变梯度可能导致晶间或近层间裂纹的容易发生[12]。因此，核心挑战不仅在于制造出更强的钨基体，还在于构建能够有效阻止长距离裂纹传播的微观结构和界面。

分散体改性为实现这一目标提供了可能途径，因为纳米级陶瓷颗粒能够影响凝固过程、晶粒生长、界面迁移、界面化学性质和位错活动[13][14][15][16]。然而，目前对分散体改性的钨材料评估通常仅依据硬度、抗压强度或相对密度进行，这种观点忽略了脆性LPBF钨材料的特殊性[17]。晶粒细化、颗粒强化、界面强化和位错/亚结构强化可以提高局部承载能力，而裂纹抑制则更依赖于晶界凝聚力、界面化学稳定性、裂纹路径的曲折程度以及弱界面的有效连接性[18]。换句话说，强化单元并不必然具有止裂效果。

稳定的氧化物和活性碳化物分散体为研究不同分散体对微观结构和裂纹路径影响的机制提供了两种不同的途径。Y?O?主要表现为热化学稳定的氧化物分散体，可能有助于促进非均匀核化、晶界分割和颗粒的局部保留，而不会形成连续的脆性反应层[19][20][21][22]。相比之下，ZrC虽能提供强的颗粒/界面强化作用，但其与残余氧及高温LPBF环境的相互作用可能导致碳化物/氧化物相关的界面重构[23][24]。这种重构界面可能会增强局部硬化效果，但也可能引入界面不兼容性或增加裂纹路径的敏感性[25][26]。目前尚未明确的是，在相同的LPBF热条件下，分散体如何同时影响微观结构重构、界面化学稳定性和裂纹路径的连通性。以往的研究往往分别考察分散体改性的钨材料，难以区分分散体的内在效应与粉末来源、氧含量、加工参数或后处理条件的差异[27][28][29][30][31]。

本研究在相同的LPBF工艺参数下制备了纯W、W-0.5 wt.% Y?O?和W-0.5 wt.% ZrC样品，以比较不同分散体对材料性能的影响。通过缺陷/裂纹统计、裂纹方向分析、基于EBSD的界面拓扑表征、SEM-EDS的裂纹相关元素分布分析、XPS近表面化学态分析、TEM/STEM的相界面识别以及力学性能测试，多重手段结合研究了稳定氧化物和活性碳化物改性带来的差异。通过关联缺陷形态、界面拓扑、界面化学性质和基体硬化效果，本文阐明了不同分散体在LPBF钨材中产生的不同强化和裂纹路径响应。

章节摘录

基于钨的原料粉末的共振声学混合

准备了三种用于LPBF制造的原料粉末：纯W、W-0.5 wt.% Y?O?和W-0.5 wt.% ZrC。所有系统均使用相同的球形W粉末作为基体粉末。如图1a所示，W粉末具有规则的球形颗粒形态和光滑的颗粒表面。激光粒度分析结果显示，W粉末的D??、D??和D??值分别为10.18 μm、16.97 μm和28.25 μm，平均颗粒尺寸为18.26 μm（图1d）。纳米级的Y?O?和ZrC粉末也显示出类似的颗粒形态。

结果

XRD图谱显示，所有LPBF制备的样品主要为体心立方结构的钨，其特征W衍射峰与PDF#04-0806参考谱相符；常规XRD分辨率下未检测到明显的Y?O?或ZrC衍射峰（图2a）。放大的W(110)峰显示，纯W的2θ角从40.32°系统性地向W-Y?O?的40.19°和W-ZrC的40.16°偏移。相应地，d(110)晶面间距也发生变化。

LPBF钨材中的裂纹形成是微观结构和热应力共同作用的结果，其中热应力由快速凝固、层间熔化和重复热循环引起。剧烈的热梯度和快速冷却促进了强方向性的凝固结构；而钨的有限室温塑性限制了热应力的松弛，导致凝固边界、晶界、亚晶界和层间熔化区域

结论

• 1)
  在相同的LPBF工艺条件下，Y?O?和ZrC的添加显著改变了材料的缺陷和裂纹路径特性。在检验的100倍放大截面区域，W-Y?O?样品的总缺陷投影分数和裂纹投影面积分别为0.28%和0.17%；而W-ZrC样品的裂纹投影面积为0.75%，且裂纹倾向于横向扩展，裂纹长度占比达57.8%，裂纹面积占比达60.3%。

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFE03140001、2022YFE03140004、2022YFE03030003和2019YFE03120002）、国家自然科学基金（编号51672065、51474083和52020105014）以及“清洁能源新材料与技术”高等教育学科创新项目（编号B18018）的支持。作者感谢合肥工业大学仪器分析中心提供的技术支持。

吴玉成：撰写、审阅与编辑、项目监督、资金申请。Oya Yasuhisa：项目监督、资源协调。刘晓强：初稿撰写、数据分析、概念框架建立。李润松：软件开发、实验设计。刘家芹：审阅与编辑、项目管理和资料整理。朱晓勇：项目行政管理。陆碧伟：结果验证。

在撰写本论文期间，作者使用了ChatGPT 5.5工具进行语言润色，以提高文本的清晰度和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对发表文章的内容负全责。

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系会影响到论文的研究结果。

张晓强 | 刘家芹 | 李润松 | 陆碧伟 | 朱晓勇 | Oya Yasuhisa | 吴玉成合肥工业大学材料科学与工程学院，中国合肥 230009