《Scripta Mater》：99.1%！相对密度的最高报道值

‍钨由于其极高的熔点(3422℃)和低热膨胀系数，即使在超高温下也具有极高的形状稳定性，因此已被广泛应用于航天、医药、核工业等领域。钨具有体心立方(BCC)结构，其抗辐射损伤能力取决于晶面，其中{011}的抗辐射能力高于{100}或{111}。晶体定向控制使钨具有很高的功能性。目前粉末冶金技术并不适合生产形状复杂、晶体组织受控的钨制品。钨具有高延性，脆性转变温度(DBTT)为200-400℃。晶界特征分布对强度、延性、开裂均有显著影响。钨的高DBTT使其在室温下沿大角度晶界(HAGBs)萌生裂纹和扩展，这限制了其高密度制造的能力。突出晶体结构的微结构，如单晶结构，可以消除大角度晶界。因此，为了致密化钨件，促进其工业应用，需要控制晶体织构。激光粉床融合技术(LPBF)可以将几何形状复杂、密度高的零件加工成网状结构，通过LPBF控制钨晶体结构是一个挑战。

日本大阪大学的研究人员通过优化激光条件，尝试了纯钨的致密化和晶体织构控制，以克服晶界的脆性。使用激光粉末床熔合 (LPBF) 成功地获得首个显著的钨晶体织构。成功地制造了几乎完全致密的纯钨零件，其相对密度为99.1%，这是尚未见报道的最高值。相关论文以题为“Single crystalline-like crystallographic texture formation of puretungsten through laser powder bed fusion”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114252

采用电感耦合等离子体制备纯度为99.9%的球形钨粉，平均粉末粒度为27.4μm，采用LPBF制备了尺寸为5 mm×5 mm×10 mm试样，激光功率为360 W，扫描速度为600-1200 mm/s，扫描间距为40-100μm，层厚为20μm。

研究发现在激光辐照过程中，由于钨具有极高的熔点，导热系数影响散热效果，对熔池的形状造成了极大的影响，LPBF工艺下钨形成单晶状织构的机理与众不同，在钨中，沿XY平面x方向的45°<100>生长控制了织构的形成，其中<011>沿x和y方向取向。在钛合金中，45°<100>在YZ平面上沿z方向生长，是织构形成的主要方向，其中<011>沿y和z方向择优生长。这些不同取向的形成是由熔池的形状决定的，而熔池的形状在很大程度上取决于材料的热物理性质。在任何一种情况下，驱动力都可能减少熔池中心的晶体取向偏差，导致熔池左右两半的凝固前沿在这里相遇。

图1 不同方向的IPF图

图2钨和钛合金的温度分布、熔池形状以及温度和冷却速率随时间的变化

图3 钨的热流方向、IPF图以及晶界特征分布

图4 钨与钛合金熔池示意图

综上所述，本研究提出了一种新的基于LPBF的织构控制方法。此外，通过改变工艺参数和/或材料，有望获得一种新型的单晶状织构，可以通过数值模拟进行预测和讨论。如果讨论的主题是熔池形状或凝固行为的微小差异，则需要更严格的模拟，需要考虑粉末床的导热性、热物理性质的温度依赖性，还有对流。本文为材料织构控制提供了理论依据。（文：破风）

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