LPBF工藝中鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究（轉）
閱讀次數：2332 發布時間：2020-09-14
鎢的熔點高達3000℃以上，是典型的難熔金屬，難成形材料，適用于極端溫度環境中的應用，例如燈絲、電弧焊、輻射屏蔽零件，或作為聚變堆中的等離子體第一壁材料。鎢是一種戰略性資源，如果可以克服難加工的瓶頸，其發展前景不可小覷。
由于粉末床激光熔化(LPBF)增材制造工藝能夠創造復雜的幾何形狀，對于鎢材料加工來說是個不錯的選擇，利用這一技術可以開辟鎢的新應用。但是鎢固有的脆性以及增材制造時發生的微裂紋會損害結構的完整性，阻礙了鎢金屬3D打印的廣泛應用。
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家開展了一項表征鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究，他們將熱機械仿真與在粉末床激光熔化金屬3D打印過程中拍攝的高速視頻相結合，首次能夠實時觀察鎢金屬的韌性到脆性轉變（DBT），觀察到了微裂紋是如何隨著金屬的加熱和冷卻而引發和擴散。研究團隊能夠將微裂紋現象與殘余應力，應變速率和溫度等變量相關聯，并確認是由DBT 引起裂紋。
為無裂紋增材制奠定基礎
這項研究最近發表在《Acta Materialia》雜志上，論文揭示了3D打印鎢裂紋產生的基本機理，為將來通過粉末床激光熔化工藝制造無裂紋的鎢金屬零件奠定基礎。
論文談到，韌性到脆性轉變溫度(DBTT)決定了實際工作范圍的溫度下限。在較高溫度下相對容易移動的螺型位錯會在低溫下變得無法移動，從而導致較低溫度下塑性的突然急劇降低。韌脆轉變(DBT)發生在室溫(473-673開爾文（K）以上)并且在高溫處理冷卻下來時不可避免地會發生，此時，加工引起的殘余應力會導致微裂紋。
韌性到脆性轉變溫度很大程度上取決于間隙雜質含量。當氧雜質含量從10 ppm小幅增加到50 ppm時，則該轉變溫度從623K增加到823K。在粉末床激光熔化3D打印工藝中，快速且重復的局部加熱、固化和冷卻循環會產生高殘余應力，從而導致變形、開裂，并影響零件機械性能。在一些關于鎢增材制造研究中，已有大于98%高密度的報道，但是沒有一個能夠避免微裂紋的形成。
論文談到，合金化與調整工藝參數是改善微裂紋的兩種可能的方法，但成功率仍然有限。例如，通過在原始鎢粉中添加納米級ZrC粉末來減少裂紋，導致晶粒尺寸減小了50％。在通過工藝參數調整來減少裂紋的方式中，主要方式是將打印基板預熱，當預熱至673K時未帶來明顯改善，預熱至1273K 時觀察到裂紋減少。
盡管現在已經知道韌脆轉變(DBT)是鎢3D打印中產生微裂紋的原因，但由于研究僅限于對裂紋的事后檢驗階段，因此仍缺乏對其形成的基本了解。LLNL 實驗室的研究則是利用鎢單軌的現場高速視頻將鎢金屬的韌脆轉變可視化，更詳細地研究了工藝參數和熔體幾何形狀對裂解機理的影響。
研究結果（部分）
▲激光功率P-掃描速度v-光束直徑?；紅色標記表示導致縱向裂紋的參數組合。
來源：sciencedirect.com
上圖為這項研究中所使用的參數集，參數集覆蓋的線性能量輸入P / v在0.6 < P / v<6 J / mm之間。如圖中紅色標記所示，對于高激光功率，沿軌道中心線出現縱向裂縫。
l 熔池行為
▲（a）P = 300 W，v = 300 mm / s，? = 100 μm，（b）P = 450 W，v = 100 mm / s，? = 100 μm ，熔池頂部表面和橫截面。裂紋網絡隨熔池大小而縮放，在（a）中淺，但在（b）中深，導致裂紋深入地滲透到基底中，如右圖所示。黑色箭頭表示橫向裂紋。
來源：sciencedirect.com
上圖顯示了在這項工作中遇到的兩個代表性熔池幾何形狀。與316 L或AlSi10Mg之類的金屬合金相反，鎢在通過粉末床激光熔化3D打印時沒有明確定義的熔池邊界。相反，外延生長和平面凝固前沿可確保基材微觀結構和凝固結構之間存在無縫過渡，就像其他純金屬Ta 或凝固范圍較小的Ti6Al4V 合金一樣。
在這項工作中，基體微觀結構由垂直于掃描道表面的細長晶粒組成，類似于鎢增材制造過程中沿構建方向發展的細長晶粒。在這項工作中，基體微觀結構和單一掃描軌跡代表了增材制造期間形成的微觀結構，并且進入基材的裂紋路徑類似于先前遇到的垂直裂紋。
開裂行為
▲掃描軌跡的共焦圖像（v = 300 mm / s，P = 400 W，?= 100 μm），指示軌跡周圍引起裂紋的區域。
來源：sciencedirect.com
上圖所示的掃描軌跡周圍的裂紋網絡代表了大多數參數集的裂紋模式。裂紋在掃描矢量上大體上是橫向的，但仍然附著在晶界上，在大約是熔體寬度的3-4倍的區域內被分支裂紋網絡包圍。
▲高速視頻1
來源：sciencedirect.com
▲高速視頻2
來源：sciencedirect.com
裂紋溫度
▲掃描軌跡的Diablo熱模型俯視圖，并用箱形圖表示出現裂紋的溫度范圍。
來源：sciencedirect.com
上圖顯示了由激光器以v = 100 mm / s，P = 450 W和? = 100 μm左右移動的激光所產生的熱場，其中激光器位于x = 0.9毫米。模擬的熔池與實驗一致，是一個接近完美的圓，并且由于鎢的高導熱性，即使在較高的速度下，長寬比也很小。凝固前沿的縱向熱梯度超過3×10-7 K/m，而冷卻速率接近5×10-6 K/s。
結論
根據LLNL 實驗室對于這項研究結果的總結，通過使用 Diablo有限元代碼進行的實驗觀察和計算模型，研究人員發現溫度在450至650開爾文之間時鎢產生微裂紋，并且取決于應變率，而應變率直接受工藝參數的影響。他們還能夠將裂紋影響區域的大小和裂紋網絡形態與局部殘余應力相關聯。掃描軌跡周圍受裂紋影響的區域大小由最大馮·米塞斯應力確定，而裂紋網絡的形態則取決于主應力的局部方向。LLNL研究團隊正在使用結果評估工藝和合金改性等緩解裂紋的方式，這些發現以及為該研究開發的診斷方法對于LLNL 團隊實現3D打印無裂紋鎢零件的最終目標至關重要。
根據3D科學谷的市場觀察，醫學影像設備CT 所需的3D打印鎢金屬防散射濾線柵是鎢增材制造領域的典型應用。在新冠狀病毒疫情爆發以來，醫學影像CT設備的需求量增長，也帶動了影像設備廠商對于3D打印鎢金屬防散射濾線柵的需求。
▲來源：Dunlee
飛利浦旗下影像設備零部件制造商Dunlee 在今年增加了醫學影像設備CT 所需的3D打印鎢金屬防散射濾線柵的產量，從而支持新冠狀病毒（COVID-19）流行期間的CT 檢查需求。Dunlee與3D打印合作伙伴 EOS 公司合作增加新的打印設備，并對現有設備進行微調以增加產量。Dunlee 采用的制造材料為純鎢, 并使用了創新的粉末床激光增材制造工藝。
▲鉑力特打印100%純鎢材料光柵
來源：鉑力特
目前，金屬3D打印企業鉑力特已向客戶交付了4臺用于純鎢3D打印的定制參數設備。2016年成功打印出鎢光柵之后，鉑力特通過反復調整、驗證其選區激光熔化3D打印設備BLT-S210的工藝參數，協助用戶研制出薄壁的最小成形尺寸為100 μm，遮光度近100%的純鎢光柵，并幫助用戶順利投入生產使用。
盡管仍充滿挑戰，但基于粉末床激光熔化3D打印工藝所開展的鎢增材制造應用已在商業化的路上。
參考資料：
BeyVrancken et.al. Analysis of laser-induced microcracking in tungsten under additive manufacturing conditions: Experiment and simulation.Acta Materialia，Volume 194.
本文轉自3D科學谷
