[发明专利]一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法

说明书

本发明涉及一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法，属于金属材料增材制造技术领域。本发明通过在纯钨粉末中添加适量的碳元素，结合适当条件参数的选区激光熔化，得到了致密度高、力学性能优异的产品。本发明经优化后的方案:等离子球化渗碳技术+选区激光熔化技术；其所得产品的性能远远高于其他技术所得产品。

技术领域

本发明涉及一种选区激光熔化制备具有复杂结构的纯钨构件的方法，属于金属材料增材制造技术领域。

背景技术

钨(W)作为熔点最高(3410℃)的难熔金属，具有高密度、良好的导热性、高的再结晶温度、低的热膨胀系数、室温高强度、高硬度等独特的物理化学性能。它在军事武器、医疗设备、航空航天和核领域的制造中得到了广泛的应用。特别是在国际热核实验反应堆和高性能火箭喷嘴等核聚变装置中，钨以其优异的耐热性和等离子体辐射性能被认为是最有前景的等离子体表面材料。尽管有这些优点，但钨仍存在一个主要的缺陷，即其高的韧-脆转变温度(DBBT)，通常在200-400℃之间，导致室温塑性低。钨的高熔点和低室温延展性增加了加工制造的难度，限制了钨作为结构材料的应用。因此，钨制品通常采用粉末冶金(PM)、放电等离子体烧结(SPS)、化学气相沉积(CVD)和热等静压(HIP)等方法制造。

近年来，随着科技的不断发展，纯钨的应用领域不断扩展，对成形零件的要求越来越高。在穿甲弹，汽车涡轮发动机以及火箭喷嘴等核聚变装置中的应用中，所需钨零件的形状更加复杂，通常拥有内孔，槽以及多截面等复杂结构。这就要求钨零件向三维形状设计自由度发展。而传统成形方法在制造结构复杂的零件方面有其局限性，耗时长，成本高。因此，增材制造这种可以快速，定制化制备复杂零构件的技术得到了广泛关注。

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是增材制造技术领域的一种方法，它可以根据三维CAD模型，利用激光器产生的激光束选择性地逐层熔化粉末，生产具有复杂几何形状的单个或多个金属零件，而不需要特定零件的模具。SLM技术具有零件开发周期短、加工精度高、节约原料、可成形任意复杂零件等特点。目前，该技术已用于成形钛合金、不锈钢、铝合金、镍基高温合金等多种金属。利用高能量密度激光，甚至可以成形Mo、Ta、W等难熔金属。然而，由于钨具有高熔点、高导热性、高熔体粘度、在高温下对氧的亲和性和室温下的脆性等特点，激光扫描后的纯钨零件中出现孔洞及裂纹，严重影响钨构件的力学性能，限制了纯钨构件的应用，这是选区激光熔化纯钨目前面临的较大的困难和挑战。

发明内容

针对传统粉末冶金技术无法制备具有复杂结构的纯钨构件这一缺点，本发明的目的是提供一种利用选区激光熔化制备复杂纯钨构件并大幅度提高选区激光熔化制备复杂钨构件力学性能的方法。通过在纯钨粉末中添加碳元素，一方面，利用碳元素高温下较强的还原性，与钨粉及保护气氛中的氧气反应，降低氧含量，减小孔隙率；另一方面，利用高温下碳元素与钨反应生成碳化钨，作为强化相，提高钨零件的力学性能。通过减少选区熔化过程中出现的孔隙和裂纹问题，从而提高纯钨构件的力学性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种选区激光熔化制备具有复杂结构纯钨构件的方法，包括以下步骤：

步骤一

选用纯钨粉作为原始粉末，制备W/C复合粉末；所述W/C复合粉末中，C含量为0.1-0.5wt％、优选为0.25-0.35％；

步骤二

使用三维软件构建所需制备的零件模型，将构建好的模型导入选区激光熔化成型设备；

步骤三

将制备好的复合粉末放入选区激光熔化设备中的供粉缸中，同时往成形腔中通入保护气体进行气氛保护。

步骤四

设置选区激光熔化加工过程的工艺参数，并对制备好的粉末进行激光烧结；