期刊名称：《中国钨业》
国内统一刊号(CN)：CN11-3236/TF 国际标准刊号(ISSN)：ISSN1009-0622 创办日期：1986年 刊 期：双月刊 电 话：0797-8106067 网址：zgwu@chinajournal.net.cn
主管部门：中国有色金属工业协会 主办单位：中国钨业协会 协办单位：赣州有色冶金研究所有限公司
钨及钨合金因其高密度、高熔点、低线性热膨胀系数、高导热率、优异的高温强度和抗辐射等性能优势，在核聚变反应堆、航空航天及国防领域具有不可替代的作用。然而，传统加工方法，如粉末冶金、锻造、机加工等，难以制造复杂结构的构件且成本高昂。增材制造技术通过逐层成形的方式为钨及钨合金精密加工提供了新途径。本文综述了激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（SEBM）、激光定向能量沉积（LDED）、黏结剂喷射（BJ）等主流增材制造技术在钨及钨合金成形中的应用，分析了微观组织调控、缺陷抑制、性能优化以及后处理等关键问题，展望了钨及钨合金在航空航天、核工业以及电子工业领域的应用，并提出了数值模拟与多物理场耦合、材料特性与工艺优化、粉末特性与后处理等未来发展方向。
本文全面回顾了增材制造技术在钨及钨合金结构制造领域的研究进展与应用现状。当前，适用于钨及钨合金的增材制造技术主要有同轴送粉激光定向能量沉积（L-DED）、粉末床熔融沉积（PBF）以及金属喷墨黏结技术（BJ）。在实际应用中，这些技术面临着诸如裂纹、孔隙等冶金缺陷及致密度不足等挑战，并且不同技术在缺陷调控方面呈现出各自的特点。L-DED可通过多种方式调控缺陷但存在孔隙、表面粗糙和粉末利用率低等问题，PBF虽能制备复杂件和高密度件却受裂纹严重制约，BJ可制备性能良好部件但黏结剂复杂且脱脂易导致孔隙产生。针对这些难题，研究者们通过优化工艺参数、实施合金化处理以及强化微观组织控制等手段积极探索解决方案。展望未来，钨及钨合金结构的增材制造技术将聚焦于更深入的工艺参数研究、新型钨合金材料的开发，以及结合先进数据分析技术，不断满足各领域日益增长的多样化需求。
硬质合金具有高硬度、强度和断裂韧性，广泛用于切削刀具、模具以及耐磨零件制造。材料挤出增材制造（MEX）在制备硬质合金复杂结构零件方面具有独特的优势，喂料的打印性能是MEX制备高性能硬质合金复杂结构零件的关键。本研究采用有机黏结剂组元相容性、喂料成分均匀性、流变性能以及挤出行为等作为打印性能评价指标，开发粉末装载量高达55%的WC-6Ti(C, N)-10Co MEX硬质合金喂料。结果表明，采用相容性较好的有机黏结剂和WC-6Ti(C, N)-10Co复合粉末可以制备成分均匀、流变性能优异的MEX硬质合金喂料，在喷嘴孔径为0.4～0.6 mm，挤出流量为60%～80%条件下均可以顺利挤出，具有优异的打印性能，有利于获得高尺寸精度硬质合金生坯。
激光增材制造能实现钨合金复杂结构一体化成形，成为当前研究的热点方向。激光工艺参数对增材制造钨合金的组织和性能具有重要影响，因此本文利用激光定向能量沉积（L-DED）方法制备了高熵黏结相高密度W-NiFeCoNbAlV(W含量为85%)钨合金，探索了激光功率对85W合金组织和性能的影响。发现L-DED成形的85W合金皆由球形W颗粒、树枝状W相和Ni基黏结相组成，黏结相中皆呈现典型的胞状结构且富Nb元素。随着激光功率增加，析出的树枝状W相增多，呈现球状W颗粒和树枝状W相交替的组织，且抗拉强度和压缩屈服强度皆得到提高。当激光功率增加到最大为1600 W时，85W合金的抗拉强度和压缩屈服强度皆最高，分别为1 180 MPa和1 120 MPa。该合金独特的胞状结构和析出W相有效阻碍位错运动，从而实现位错钉扎，进而强化合金性能。
本研究采用黏结剂喷射3D打印（BJ3DP）技术制备了掺杂1%（质量分数，下同）稀土氢化物（YH_2）的95W-3.5Ni-1.5Fe合金，系统探究了YH_2对合金显微组织、力学性能及摩擦磨损行为的影响。结果表明，YH_2能够通过晶界钉扎作用显著控制钨晶粒（10～15μm）尺寸，但YH_2在合金粉体中的不均匀分布导致成形后组织中存在Y的富集区与贫化区；添加1%YH_2后，合金抗拉强度为510 MPa，但伸长率仅0.4%，表现为典型脆性断裂，这主要是因为Y原子在晶界处发生过度偏聚（局部浓度7.5%），导致界面结合强度显著下降。此外，YH_2掺杂显著改善合金的耐磨性，磨痕深度由8μm降至更低水平，这主要是因为沿晶弥散分布的Y有抑制裂纹扩展的作用以及YH_2的硬质特性能够增强合金抗塑性变形的能力。研究提出优化YH_2添加量以实现晶粒尺寸控制与界面强化的平衡，为BJ3DP结合稀土掺杂制备高性能复杂结构钨合金提供了理论依据与工艺参考。
激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）增材制造技术可满足W-Ni-Fe合金零件的高精度、高效率制造需求。本研究以80W-14Ni-6Fe、85W-10.5Ni-4.5Fe和90W-7Ni-3Fe（质量分数，下同）三种W-Ni-Fe合金粉末为研究对象，研究了钨元素含量和SLM工艺参数对W-Ni-Fe合金成形性及冶金缺陷的影响规律，并对成形性相对较好的80W-14Ni-6Fe合金进行了显微组织观察和力学性能分析。结果表明：随着钨含量的增加，SLM成形W-Ni-Fe合金试样的致密度下降，冶金缺陷含量增加。随着激光体能量密度的增加，SLM成形W-Ni-Fe合金的致密度呈现先上升后下降的趋势。SLM成形80W-14Ni-6Fe合金的显微组织主要包括未熔化的钨颗粒、合并钨颗粒、钨枝晶、钨晶粒沉淀和Ni-Fe黏结相。SLM成形的80W-14Ni-6Fe合金极限抗拉强度为1 346 MPa，最大延伸率为5.11%，强度优于激光熔化沉积和热轧制备的W-Ni-Fe合金。
激光选区熔化（SLM）成形W-Ni-Fe合金多采用球形钨粉，制备成本较高。本研究提出使用低成本非球形钨粉进行SLM打印90W-7Ni-3Fe的方案，通过优化打印策略控制成形件质量，并深入分析了非球形细钨粉对打印成形件性能的影响。研究结果表明，SLM成形90W-7Ni-3Fe的成形窗口较窄，扫描速度400 mm/s、扫描功率350 W打印的90W-7Ni-3Fe合金质量最好，缺陷和孔隙最少。SEM和EDS结果显示，成形件微观组织由粗W粒子相、近等轴细W区域和低熔点Ni-Fe相区域组成，低熔点金属（Ni/Fe）熔化形成液相，未熔融的钨粒子间隙被液相填充，近等轴细W区域部分钨溶解形成固溶体。采用合适的打印参数与策略，获得了硬度值为601.38±54.33 HV0.2的非球形钨粉SLM打印90W-7Ni-3Fe合金。研究结果可为激光3D打印钨材料成形技术的选择和粉末优化提供参考。
为了探究超高温下W-4Re-x Hf C合金的抗烧蚀性能，本研究采用放电等离子烧结法（SPS）制备出W-4Re-x Hf C(x=0.2,0.6,1.0)系列合金，利用等离子火焰烧蚀设备、三维形貌测量仪、XRD和SEM测量并分析其抗烧蚀性能。结果表明：在3 400 K下烧蚀10 s后，W-4Re-xHfC(x=0.2,0.6,1.0)合金的质量烧蚀速率分别为0.97±0.072 g/s、0.87±0.068 g/s和0.84±0.026 g/s，线烧蚀率分别为73.4±1.5μm/s、64.2±2.1μm/s、60.1±0.6μm/s，底部温度为2 604±35℃、2 447±51℃和2 345±37℃。W-4Re-xHfC合金烧蚀时表面发生氧化，在高温气焰冲蚀作用下挥发并被剥蚀，形成孔洞、裂缝和沟壑等缺陷。烧蚀表面的氧化产物包括HfO_2、WO_3和Re_2O_7，以及副产物HfW_2O_8和WC。HfC可以提高抗烧蚀性能，降低传热速率，并且液态HfO_2能够覆盖氧化层表面，从而阻止热量和氧气进入内部。
以不规则钨粉和钼粉为原料，采用喷雾造粒和真空脱脂预烧结制备出钨钼混合粉，经射频等离子技术制备出球形W-Mo合金粉末。深入研究了钨、钼粉末在不同阶段的形貌和物相变化，并分析了等离子球化过程中不同送粉速率对球形W-Mo合金粉末形貌和粒度的影响。结果表明：真空烧结可以强化W-Mo类球形喷雾料结构，有利于获得性能良好的球形W-Mo合金粉，其流动性和松装密度分别达到7.8 s/50 g、8.91 g/cm~3；合适的送粉速率有利于在等离子球化过程中提升W-Mo合金粉末的表面质量，当送粉速率为70 g/min时，W-Mo合金粉末元素分布均匀，粒度分布集中在23～35μm，球形度高，表面光滑。
采用湿化学法制备W-Al_2O_3复合粉体，再经过冷等静压、真空烧结和热轧法制备了纯钨与W-Al_2O_3合金板材。氧化铝（Al_2O_3）颗粒的引入显著细化了钨的晶粒尺寸，使钨的平均晶粒尺寸从1μm降低到0.73μm。W-Al_2O_3合金在室温下的弯曲强度为1 370 MPa,300℃弯曲强度达到最大值5 050 MPa，相较于纯钨分别提高了60.3%和41.5%。W-Al_2O_3合金在200℃表现出韧性趋势，其韧脆转变温度（DBTT）相比纯钨降低了100℃，性能的改善得益于Al_2O_3对钨晶粒的细化和对位错的钉扎作用，有效减少了剪切带的形成。同时，钨晶粒细化增强了晶粒间的相互作用，使W-Al_2O_3合金形成了强γ纤维织构，从而提升了合金的弯曲强度和降低了合金的DBTT。
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