[发明专利]一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法

说明书

本发明提供了一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，属于增材制造技术领域，包括以下步骤：S1：钨预合金粉体或混合粉体的制备：选择与钨在凝固过程中可发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与纯钨制成预合金粉体或混合粉体；S2：建模分层：在3D打印增材制造设备上，根据所制备零件的形状，创建零件的三维模型，并进行切片处理，将分层处理后的模型以STL格式导出；S3：激光成形：使用步骤S1的产物粉体，采用选区激光熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件。采用本发明的制备方法制备出的钨零件的致密度达到99％以上，内部裂纹极少甚至无裂纹，解决了增材制造钨零件的裂纹问题，提高了增材制造钨零件的性能。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法。

背景技术

钨(W)以其优越的性能，如高熔点、高热导率、良好的高温强度及化学稳定性等，被广泛应用于航空航天、核能和医疗等领域。但近年来，对零部件复杂形状的应用需求不断增加，通常有孔、槽、变截面等特征。而钨固有的高熔点和低温脆性，使其加工制造困难，有必要发展新型制备技术应用于实际工程用钨部件制备。钨零件3D打印增材制造过程是采用分层制造的思想，根据预先设计的CAD模型，以激光等为热源，通过重复逐层铺粉、逐层熔化凝固的方式，可以成形复杂形状三维零件，可用于成形复杂形状的金属零部件。

但由于增材制造过程中成形体内应力大，钨低温(400℃)下的本征脆性，纳米气孔、氧化物杂质等在晶界处聚集造成的晶界弱连接，以及增材制造过程中形成的粗大柱状晶等原因，增材制造成形钨材料中极易形成大量沿晶界分布的裂纹。

以激光增材制造为例，通过在钨中添加少量的金属钽(Ta)，W-Ta合金的晶粒形貌发生改变，同时形成位错胞，使得裂纹密度降低约80％；添加ZrC纳米颗粒，晶粒细化，可以将裂纹密度降低约88.7％。尽管现有技术可以在一定程度上减少裂纹的密度，但仍无法彻底解决，激光增材制造钨零件中仍存在裂纹。

鉴于此，急需研究一种新型激光增材制造钨零件的制备方法，能最大程度上减少或彻底解决现有激光增材制造钨零件中存在的裂纹问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，通过引入可与钨在凝固过程中发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与钨制成预合金粉体或混合粉体，使用该钨预合金粉体或混合粉体，再采用选区激光熔化或激光粉末床熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件，制备出的钨零件的致密度达到99％以上，内部裂纹极少甚至无裂纹，解决了增材制造钨零件的裂纹问题，提高了增材制造钨零件的性能。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：钨预合金粉体或混合粉体的制备：选择与钨在凝固过程中可发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与纯钨制成预合金粉体或混合粉体；

步骤S2：建模分层：在3D打印增材制造设备上，根据所制备零件的形状，创建零件的三维模型，并进行切片处理，将分层处理后的模型以STL格式导出；

步骤S3：激光成形：使用所述步骤S1的产物粉体，采用选区激光熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件。

进一步地，所述步骤S3的激光成形过程具体为：

步骤S301：在光纤激光器的工作平台上安装纯钨金属基板，并将所述金属基板预热至200-800℃，同时控制铺粉刮刀与所述金属基板的间隙为(30±0.5)μm，在激光成形过程中，控制所述金属基板的温度始终保持在200-800℃，将所述步骤S1的产物粉体颗粒填装到粉体料仓中；

步骤S302：密封成形腔体，用真空泵将成形腔体内抽至相对真空度为-(90±1)KPa；