陳金瀚，趙聰聰，劉 偉

（1.清華大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100084；2.季華實驗室，廣東 佛山 528000）

0 引言

鎢具有優(yōu)異的強度、抗蠕變等力學(xué)性能以及良好的抗氧化性和導(dǎo)熱性，已經(jīng)逐漸成為一種面向醫(yī)療、電子、航空航天等領(lǐng)域的重要材料[1-2]，同時由于其高熔點、高導(dǎo)熱以及對等離子體通量優(yōu)異的輻射屏蔽性能，它也被認(rèn)為是未來面向等離子體材料的重要候選材料之一[3]，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展不可替代的重要戰(zhàn)略資源。迄今為止，絕大多數(shù)鎢制品的主要成形工藝包括粉末冶金[4]、放電等離子燒結(jié)[5]和化學(xué)氣相沉積[6-7]等。而鎢的高硬度和本征脆性使其很難使用傳統(tǒng)機加工的方式成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)。鎢具有高于室溫數(shù)百攝氏度的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Ductile-to-Brittle Transition Temperature，DBTT），因而在室溫下，鎢幾乎不具有任何延展性，這主要是由于對于體心立方結(jié)構(gòu)的純鎢，其塑性變形能力主要取決于1/2<111>螺位錯的遷移率[8-9]，相較刃位錯和混合位錯，螺位錯在低溫下的開動能力更差[10-11]，鎢的螺位錯臨界開動溫度高達(dá)400℃，因此，位錯的形成和遷移都十分困難，導(dǎo)致室溫下較差的塑性，進一步限制了鎢在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。激光粉末床熔化技術(shù)（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）作為增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)的一種，其技術(shù)特點是具有高的能量輸入密度（200～1 000J/mm3）、極高的溫度梯度（106～107K/m）和冷卻速度（105～107K/s），可以實現(xiàn)材料的熔化并形成獨特的凝固組織，提高材料的綜合力學(xué)性能，且成形精度高，可以實現(xiàn)部件的近凈成形。增材制造技術(shù)正在逐步替代傳統(tǒng)制造技術(shù)實現(xiàn)部件的個性化定制和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備，正逐漸發(fā)展成熟并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

迄今為止，關(guān)于LPBF成形純鎢已經(jīng)開展了大量研究，通過基板預(yù)熱[12]、激光參數(shù)優(yōu)化[13-16]、粉末氧含量的控制和粉末形態(tài)調(diào)控[17-18]，可以實現(xiàn)熱應(yīng)力和微觀組織的調(diào)控，從而實現(xiàn)高達(dá)99%致密度的純鎢塊體。然而，即使在接近完全致密的材料部件中，純鎢的成形裂紋問題依然未得到有效解決，這限制了鎢材料在工業(yè)領(lǐng)域尤其是核聚變裝置中作為面向等離子體材料的應(yīng)用。裂紋問題是自研究LPBF成形純鎢開始就困擾國內(nèi)外專家學(xué)者的重要問題，增材制造純鎢的裂紋密度幾乎是所有金屬基材料體系中最高的，而造成增材制造純鎢開裂的影響因素可分為由加工環(huán)境造成的外部原因和自身較差塑性的內(nèi)部原因。外因主要是指成形過程中極高的瞬時局部熱應(yīng)力，而內(nèi)因則主要包括純鎢的本征脆性和較差的晶界聚合強度，因而裂紋更容易沿著由于晶粒外延生長造成的平直大角晶界位置發(fā)生擴展。

為了消除鎢體系中的裂紋，通過增材工藝調(diào)節(jié)是調(diào)控并抑制LPBF成形純鎢裂紋的一種重要方式。大量研究通過調(diào)節(jié)激光輸入功率、掃描速率和線間距等激光掃描參數(shù)，優(yōu)化了純鎢的致密化窗口并有效減少了裂紋[13,15,19-20]。其中武漢理工大學(xué)熊振剛等人[21]和南京航空航天大學(xué)顧冬冬等人[22]通過使用激光重熔的掃描策略，一定程度降低了LPBF成形純鎢中的孔洞和裂紋密度。清華大學(xué)王殿政等人[23]通過對比層間旋轉(zhuǎn)和層間無旋轉(zhuǎn)掃描策略，發(fā)現(xiàn)層間旋轉(zhuǎn)更有助于裂紋抑制。Müller等人[12]通過1 000℃基板預(yù)熱有效減少了成形樣品中的裂紋，但并未實現(xiàn)裂紋的完全消除。另一方面，通過成分調(diào)控改善純鎢的本征脆性及調(diào)控微觀組織已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的共識。以添加第二相納米碳化鋯顆粒為代表的調(diào)控方式可以實現(xiàn)LPBF成形純鎢微觀組織的細(xì)化，降低應(yīng)力集中，同時提高晶界強度，最終可以提高材料抗裂紋擴展的能力，并實現(xiàn)了近89%裂紋密度的減少[24]。另一方面，鎢與少數(shù)金屬元素（如鉭、釩、鉬、鈮等）的合金化可以在整個溫度范圍內(nèi)形成無限固溶體，李愷倫等[25]通過在鎢中添加6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）鉭實現(xiàn)了裂紋的抑制，在微觀組織中發(fā)現(xiàn)了胞狀結(jié)構(gòu)的形成，并在胞壁發(fā)現(xiàn)了大量與位錯纏結(jié)的納米氧化鉭顆粒，促進了異質(zhì)形核和晶粒細(xì)化，提高了鎢的塑性變形能力。另一種選擇是通過添加錸元素進行固溶合金化，錸在鎢中的添加可以實現(xiàn)基體強度和延展性的提高，同時不會增加鎢的DBTT，這一現(xiàn)象被稱為“錸效應(yīng)”[26]，同時錸元素的添加也可以實現(xiàn)高溫下蠕變性能的提升。另外，在鎢中添加少量錸元素可以通過降低螺位錯的Peierls勢壘實現(xiàn)鎢基體的軟化，從而進一步降低螺位錯扭結(jié)對（KPs）形核能，最終實現(xiàn)位錯遷移率的提高[10,27]。Yamamoto等人[28]和Eckley等人[29]均開展了不同含量錸元素對鎢進行合金化的研究，發(fā)現(xiàn)在小于10%錸含量的條件下對裂紋幾乎沒有改善，而在添加25%錸的LPBF成形鎢中，組織中晶粒得到細(xì)化，裂紋密度有所減少。

為了解決晶界弱化問題，國內(nèi)外學(xué)者也做了許多通過添加間隙元素提高合金晶界聚合強度的研究。北京科技大學(xué)呂昭平團隊[30]通過添加準(zhǔn)金屬硼或碳成功實現(xiàn)了高熵合金塑性和強度的大幅提高；Kaserer等人[31]通過在金屬鉬中加入碳元素，形成了成分為Mo2C的胞壁結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了基體凈化和晶界強度的提高，裂紋實現(xiàn)了從沿晶到穿晶斷裂模式的轉(zhuǎn)變，并在基板預(yù)熱的協(xié)同作用下最終實現(xiàn)裂紋的完全消除。因此，碳本身作為一種與氧容易發(fā)生結(jié)合的元素，對于提高鎢抗裂紋擴展能力將會起到重要作用。

為了實現(xiàn)LPBF成形鎢中的裂紋抑制，提高鎢材料本征塑性和抗裂紋擴展能力，對純鎢進行多組元的成分調(diào)控是本研究的重點考量。本研究通過在純鎢中添加高含量錸元素及一定量碳元素，實現(xiàn)了LPBF成形W-Re-C三元系合金體系的制備。絕大部分錸元素在鎢基體中實現(xiàn)了固溶，同時碳元素與鎢基體發(fā)生反應(yīng)，生成的碳化二鎢相存在于枝晶臂間隙或胞壁位置。本研究在考慮錸合金化的基礎(chǔ)上，基于形成亞結(jié)構(gòu)的思路系統(tǒng)研究了添加錸、碳元素對LPBF成形鎢的致密化成形、微觀組織演化和力學(xué)性能的影響，以期為LPBF成形鎢材料的裂紋抑制提供新思路。

1 試驗

1.1 試驗材料

本研究所采用的是W-21Re-C合金粉體，粉體制備方法：首先采用固液摻雜方法，通過將鎢的氧化物與錸酸銨溶液混合后處理制得鎢錸粉（鎢錸粉具體過程為將鎢的氧化粉摻雜進入錸酸銨溶液，在烘干后進行共還原，其中錸酸銨會發(fā)生重新還原形成錸顆粒，同時鎢的氧化物會被還原活化形成鎢顆粒，最終錸粉以細(xì)小顆粒的形式分散在鎢粉周圍）。然后加入約0.25%碳并采用滾瓶機進行球磨混粉24 h，再在氬氣氣氛下用等離子球化設(shè)備（TekSphero-40，Tekna Co.Ltd.，Canada）球化后制得，其中球化功率38.64 kW，探針器4 L/min，攜粉器4 L/min，轉(zhuǎn)速1 r/min。粉體球化率達(dá)到99%，粒徑分布d10、d50、d90分別為 9.2 μm、39.1 μm、75.8 μm（分別代表累積粒度分布數(shù)達(dá)到10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑），平均粒徑為41.6 μm，粉體形貌和粒徑分布如圖1所示。利用ICP-AES標(biāo)液對比法和氧碳硫分析儀對粉體進行成分分析，結(jié)果如表1所示。

圖1 球化后W-21Re-C合金粉體形貌及粉末粒徑分布圖Fig.1 Morphology and particle size distribution of spheroidized W-21Re-C alloy powder

表1 W-21Re-C合金粉體元素含量 ω/%Tab.1 Element content of W-21Re-C alloy powder

1.2 試驗設(shè)備與方法

本研究使用的激光粉末床熔化成形設(shè)備型號為德國SLM solution公司生產(chǎn)的SLM280 2.0，其配備了一個IPG 700 W功率的光纖激光器，波長為1 070 nm，光斑直徑為80～115 μm，采用連續(xù)激光輸出模式。成形基板為純鎢板，最終在基板上成形了上表面直徑為14 mm，下表面直徑為18 mm，高度為2 mm的W-21Re-C合金的圓臺狀結(jié)構(gòu)。采用的成形參數(shù)為：激光功率為200～400 W，每間隔50 W為一步長，掃描速率為200～600 mm/s，每間隔100mm/s為一步長，以探究材料合適的成形窗口。粉層厚度選擇30 μm，掃描間距的選擇基于熔滴鋪展-凝固競爭模型[32]確定，最終確定為130 μm。掃描策略采用逐層旋轉(zhuǎn)67°的zig-zag掃描模式。打印過程中保證腔室內(nèi)氧氣含量維持在500×10-6以內(nèi)。

使用SiC砂紙對成形樣品進行機械磨光，然后分別用9 μm、3 μm、1 μm的金剛石懸浮液和0.05 μm的SiO2懸浮液進行機械拋光，之后震動拋光4 h以去除表面殘余應(yīng)力，最后用濃度為1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaOH溶液電解拋光數(shù)十秒，以顯現(xiàn)真實裂紋形貌及微觀組織。

通過TESCAN MIRA 3LMA掃描電鏡（SEM）和X射線能譜分析（EDS）對樣品上表面的微觀形貌特征進行觀察，并對元素成分進行分析。采用Oxford Instrument Symmetry探頭，利用電子背散射衍射（EBSD）對樣品進行微觀組織分析表征，EBSD數(shù)據(jù)通過HKL Channel 5軟件包進行分析。成形前的W-21Re-C粉末和成形后的W-21Re-C塊體材料采用配有Cu靶源的X射線衍射（XRD）進行物相分析。本研究中的透射電鏡樣品制備手段為聚焦離子束（FIB），觀測手段采用透射電子顯微鏡（TEM），晶體學(xué)信息通過選取電子衍射（SAED）花樣確定，使用的設(shè)備型號為FEI Tecnai G2 F20。

使用MATLAB圖像識別技術(shù)分析基體中裂紋所占百分比，將樣品拋光后拍攝的SEM圖片進行灰度處理，生成灰度圖，得到具有不同強度的像素點的數(shù)量，歸一化并繪制數(shù)量百分比-灰度值曲線，對其進行求導(dǎo)；由于裂紋灰度值較低，會使數(shù)量百分比-灰度值曲線的導(dǎo)數(shù)曲線的初始處（裂紋灰度值所在區(qū)域）與后續(xù)（正常圖片區(qū)域）產(chǎn)生一個明顯的分界，即可得到一個閾值，通過閾值求得裂紋所占百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 W-21Re-C合金的LPBF成形和缺陷分析

本研究首先對LPBF成形W-21Re-C合金的成形窗口進行了探索。功率（P）區(qū)間為200～400 W，掃描速率（v）區(qū)間為200～600 mm/s，掃描間距（h）為130 μm，鋪粉厚度（t）為30 μm。結(jié)果表明，W-21Re-C的成形窗口較窄，在無基板預(yù)熱的條件下，僅P=200 W、v=200～600 mm/s和P=250 W、v=600 mm/s的條件下能夠良好成形，且LPBF成形后樣品表面及內(nèi)部仍存在少量孔洞及裂紋等缺陷，如圖2所示。通過圖2（a）可知，樣品表面存在較為明顯的球化現(xiàn)象。球化是LPBF成形金屬材料中較易出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，其產(chǎn)生與成形工藝及熔體性質(zhì)有關(guān)。相較于鈦合金、不銹鋼等金屬，鎢及其合金的熔體黏性較大，且熱導(dǎo)率較高，成形過程中鋪展及潤濕效果較差，容易產(chǎn)生球化現(xiàn)象。球化現(xiàn)象還與激光輸入能量有關(guān)，研究表明，激光輸入功率越高，對粉層的穿透能力越強，熔體潤濕鋪展效果越好，從而避免球化現(xiàn)象的產(chǎn)生[33]。由于鎢材料的極高熔點，較高的能量輸入對于實現(xiàn)熔滴充分鋪展是十分必要的。王殿政等人[18]在LPBF成形純鎢的研究中發(fā)現(xiàn)，在保持其他成形參數(shù)不變的前提下，通過將激光輸入功率提高到350 W，實現(xiàn)了球化現(xiàn)象的消除和致密化成形。而本研究中W-21Re-C合金的可成形激光功率僅為200 W，因此較低的激光輸入功率是導(dǎo)致該合金球化現(xiàn)象的直接原因。此外，樣品中存在一定數(shù)量的裂紋及孔洞等缺陷，樣品中孔洞可分為兩種，一種為較大的孔洞，如圖2（b）中箭頭所指區(qū)域，該孔洞與球化現(xiàn)象有關(guān)，在逐層成形過程中，熔化道之間搭接不充分，以及前一層的球化表面會嚴(yán)重影響后續(xù)鋪粉效果及粉層均勻度，導(dǎo)致在激光的作用下材料熔化后凝固狀態(tài)不均勻，從而在樣品內(nèi)部留下較大的未熔合孔洞缺陷。另一種是較小尺寸的孔洞缺陷，如圖2（c）～圖2（d）所示，該孔洞缺陷多產(chǎn)生于枝晶臂間隙位置，在圖2（c）中，從表面以及側(cè)面的斷裂結(jié)構(gòu)處均可以清晰地看到缺陷周邊存在的枝晶結(jié)構(gòu)，且枝晶臂間存在較為明顯的孔隙。在LPBF成形條件下，枝晶臂間隙一般形成于凝固后期，在這一階段很容易造成熔體補縮的不充分，從而形成枝晶狀缺陷，缺陷形成后在外力作用下發(fā)生擴展，進而產(chǎn)生一定的開裂行為。在更高倍數(shù)下，不規(guī)則缺陷幾乎完全沿著枝晶臂的間隙位置產(chǎn)生（圖2（d）），其很可能是圖2（c）缺陷的形成單元。枝晶狀缺陷形成大小與枝晶臂的間隙尺寸有關(guān)。

圖2 W-21Re-C成形后表面形貌及微觀缺陷Fig.2 Surface morphology and microscopic defects of W-21Re-C after forming

另外，在樣品中還觀察到了大量穿晶裂紋及更高倍數(shù)下存在的沿晶裂紋，如圖2（e）～圖2（f）所示，這主要是由于LPBF成形工藝下，較大的凝固速率導(dǎo)致樣品內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，而鎢合金在低溫下表現(xiàn)為脆性，在殘余應(yīng)力的作用下形成大量裂紋。W-21Re-C合金的裂紋相較于LPBF成形純鎢裂紋存在較大的形貌差異[25]。需要強調(diào)的是，由于W-21Re-C合金的成形功率僅為200 W，而在相同工藝參數(shù)下無法獲得成形性較好的純鎢樣品。因此，本研究選擇了具有良好成形性，但在不同成形工藝參數(shù)條件下成形的純鎢與之對比，以此反應(yīng)添加錸元素和碳元素對LPBF成形裂紋問題的影響。通過Matlab圖像灰度識別方法計算裂紋密度，定量化對比了LPBF成形純鎢[25]和W-21Re-C合金上表面的裂紋密度，結(jié)果顯示，相較于LPBF成形純鎢，W-21Re-C合金的裂紋密度減少了55.8%（純鎢裂紋密度為4.39%，W-21Re-C合金裂紋密度為1.94%），由此可見合金化后材料的裂紋得到了顯著的抑制效果。

2.2 W-21Re-C合金的微觀組織

在LPBF成形前后，W-21Re-C合金粉末及成形后塊體的XRD結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，W-21Re-C合金粉末顯示出鎢和錸兩種物質(zhì)峰，而LPBF成形后，除鎢峰外，在合金中還發(fā)現(xiàn)了碳化二鎢（W2C）的峰位，證明了W2C相的形成，而在XRD中并未檢測到純錸的存在，這意味著大量游離的錸元素以固溶的形式進入了鎢基體中。

圖3 W-21Re-C成形前后的XRD圖譜Fig.3 XRD results of the precursor powders and W-21Re-C alloy

圖4 W-21Re-C合金微觀組織與晶粒尺寸信息Fig.4 Microstructure and grain size of LPBFed W-21Re-C alloy

LPBF成形W-21Re-C合金的SEM及對應(yīng)的晶界信息如圖4所示，在垂直于增材方向的截面上，并未觀察到已有關(guān)于LPBF成形鎢及鎢合金中表現(xiàn)出的有關(guān)熔化道的相關(guān)信息[34]，晶粒形貌更加雜亂無章，這可能與低功率條件下，熔體潤濕鋪展不充分有關(guān)。晶粒尺寸統(tǒng)計結(jié)果顯示，LPBF成形W-21Re-C合金的絕大部分晶粒十分細(xì)小，但存在少量超過50 μm的較大尺寸晶粒，并且存在少量小角度晶界（本研究中所述大角度晶界為晶界取向差角＞15°，小角度晶界為晶界取向差角2°～15°），計算得到的平均晶粒尺寸為5.48 μm。而在LPBF成形純鎢體系中，平均晶粒尺寸為10.1 μm[25]。其中，在LPBF成形純鎢上表面中存在較多超過100μm尺寸的晶粒，而W-21Re-C合金中并未發(fā)現(xiàn)，由此表明錸和碳合金化后的鎢材料實現(xiàn)了顯著的晶粒細(xì)化。在W-21Re-C合金中，細(xì)化后的晶?？梢栽鰪娏鸭y的擴展阻力，同時緩解微觀組織的局部應(yīng)力集中。

圖5 W-21Re-C合金中的枝晶結(jié)構(gòu)與胞結(jié)構(gòu)Fig.5 Dendrite and cellular structures of LPBFed W-21Re-C alloy

對LPBF成形W-21Re-C合金微觀組織（圖5）的進一步觀察結(jié)果表明，合金中包含微納尺度的枝晶結(jié)構(gòu)及胞狀結(jié)構(gòu)，枝晶臂間隙和胞壁厚度在50～200 nm，還可以觀察到部分不完整的胞結(jié)構(gòu)。關(guān)于枝晶、胞結(jié)構(gòu)、平界面等特征微觀組織的產(chǎn)生，學(xué)者們普遍認(rèn)為與凝固過程中的溫度梯度（G）與凝固速率（R）的比值有關(guān)，G/R決定凝固組織的形貌，隨著G/R的增加，凝固組織呈現(xiàn)“等軸晶-柱狀晶-胞狀組織-平面”的變化規(guī)律，然而，該比值并不完全適用于諸如LPBF工藝的快速凝固條件下的凝固微觀組織演化行為[35]。微納結(jié)構(gòu)的形成取決于特定凝固條件下熔池前沿的不穩(wěn)定生長，有研究指出，界面不穩(wěn)定生長不僅由枝晶臂前沿產(chǎn)生的“成分過冷”引起，也包含由于溫度和濃度梯度引起的固液界面前沿擾動，即Mullins-Sekerka界面穩(wěn)定性理論[36]，最終形成了規(guī)則與不完整的凝固亞結(jié)構(gòu)。

胞狀結(jié)構(gòu)在LPBF成形合金中經(jīng)常被觀察到。對胞狀結(jié)構(gòu)在SEM及TEM下進行EDS能譜分析，如圖5（b）、圖5（c）所示，EDS結(jié)果表明，胞壁結(jié)構(gòu)和球狀組織主要存在碳元素和錸元素的富集。胞狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部還存在尺寸50～200 nm不等的球狀組織，球狀組織可以看作是未長大的胞壁結(jié)構(gòu)，從EDS結(jié)果可以看出，球狀組織與薄壁類似，均含有碳元素和錸元素的富集。以往有研究表明LPBF微觀組織中胞狀亞結(jié)構(gòu)的襯度由位錯纏結(jié)所反映，在本研究對W-21Re-C合金的SEM和TEM形貌觀察中可以發(fā)現(xiàn)，W-21Re-C合金胞壁處是獨立的相，而并非位錯的大量纏結(jié)。而在胞內(nèi)區(qū)域聚集著大量位錯。此外，對同一胞狀結(jié)構(gòu)區(qū)域的EBSD分析結(jié)果表明（圖5（d）～圖5（f）），在同一晶粒內(nèi)部，胞狀亞結(jié)構(gòu)之間存在微小取向差，在反極圖（IPF）中表現(xiàn)為十分輕微的顏色差別（不足2°），相同區(qū)域的局部取向差圖（KAM）結(jié)果也表明在部分胞壁兩側(cè)存在微小取向差，與反極圖結(jié)果相互驗證。

LPBF成形W-21Re-C合金的TEM結(jié)果如圖6所示。圖中亮色部分為W基體，而襯度較深的結(jié)構(gòu)為上文中提及的胞壁結(jié)構(gòu)與球狀組織。此外，還可以觀察到基體存在大量位錯，胞壁和球狀組織附近存在一定的位錯纏結(jié)現(xiàn)象。圖6（c）中球狀組織的選區(qū)電子衍射花樣如圖6（d）所示，經(jīng)衍射花樣標(biāo)定，其與W2C的標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣相吻合，在[21ˉ1ˉ0]帶軸下存在典型的{0001}晶面消光現(xiàn)象，結(jié)合上文中提及的XRD結(jié)果，最終確認(rèn)該球狀組織為六方W2C相。結(jié)合圖5（b）、圖5（c）中部分胞壁和球狀結(jié)構(gòu)的元素分布，認(rèn)為在胞壁及球狀組織為W2C相且含有錸元素富集。在LPBF成形過程中，伴隨局部區(qū)域不同的溫度梯度和冷卻速度，最終會形成枝晶狀或胞晶狀形貌。而在凝固后期，固液界面前沿會產(chǎn)生錸和碳的元素偏聚，進而產(chǎn)生成分過冷，隨著界面碳元素含量的不斷增加，鎢基體最終與碳發(fā)生反應(yīng)形成W2C相，并在不同的凝固條件下最終發(fā)展為形貌各異的枝晶和胞晶。Yamamoto等人[28]和Eckley等人[29]對于LPBF鎢錸合金體系的分析表明，在沒有碳加入的情況下，體系成形性良好，且組織中并未形成亞結(jié)構(gòu)。因此，本體系中胞結(jié)構(gòu)和枝晶結(jié)構(gòu)等亞結(jié)構(gòu)的形成主要與碳的添加密切相關(guān)。亞微米級亞結(jié)構(gòu)的形成可以在一定程度上分散原本在晶界位置偏聚的雜質(zhì)元素，提高晶界的抗裂紋擴展能力，但本體系中形成的W2C亞結(jié)構(gòu)尺寸較大且分布不均勻，這可能是導(dǎo)致W-21Re-C合金成形性較差、存在裂紋缺陷的主要原因。因此，為了實現(xiàn)LPBF成形鎢更好的裂紋抑制，未來可以考慮減少粉末中的碳含量。由于錸在鎢基體中的固溶度達(dá)到25%，在本研究體系下，絕大部分錸元素固溶到了鎢基體中形成W（Re）固溶體，而枝晶臂間隙或胞壁處同樣會產(chǎn)生一定的錸元素富集。體系中亞結(jié)構(gòu)與基體之間并不存在明顯的取向關(guān)系?；w中大量位錯的產(chǎn)生可能是由于Re固溶于W中形成固溶體引起的晶格畸變和LPBF過程中的熱應(yīng)力造成的。

2.3 W-21Re-C合金的顯微硬度

經(jīng)顯微硬度儀測試，LPBF成形W-21Re-C合金的硬度值為7.43 GPa。在良好成形條件下，LPBF成形純鎢的硬度值為5.50 GPa[35]。由此可見，在進行錸元素和碳元素合金化后，W-21Re-C合金的硬度值得到了顯著提高，提高幅度達(dá)到35%。如前文所述，由于錸在鎢中有較大的固溶度，因此多數(shù)錸元素以固溶的形式存在于鎢基體中，從而起到了固溶強化的作用。以往研究表明，隨著在鎢中添加錸元素含量的增加，會產(chǎn)生先軟化后硬化的過程，當(dāng)錸含量達(dá)到4%～5%時，合金的硬度達(dá)到最低，隨著錸元素進一步增加至26%，合金硬度則逐漸升高[37]。Eckley等人[38]利用LPBF方法制備了W-5%Re合金和W-25%Re合金，并得到了類似的先軟化后硬化的結(jié)果，即W-5%Re合金的硬度低于純鎢，而W-25%Re合金的硬度高于純鎢。因此錸元素的固溶強化是LPBF成形W-21Re-C合金硬度的升高的原因之一。此外，相較于純鎢，W-25%Re合金的硬度提升僅為13%，顯著低于本研究所述的35%。由此可見，碳元素的添加對W-21Re-C合金也起到了強化的作用。Kaserer等[31]人對LPBF成形Mo-0.45%C合金的研究結(jié)果表明，由于碳元素的添加，Mo-C合金中形成了Mo2C相，并且分布形式與本研究W-21Re-C合金類似，均以胞狀結(jié)構(gòu)形式存在于基體中，并由此起到強化作用，導(dǎo)致Mo-0.45%C合金硬度顯著高于純鉬。本研究中同樣存在大量以胞狀結(jié)構(gòu)形式存在的W2C相，并且W2C本身具有比純鎢更高的硬度，因此，LPBF成形W-21Re-C合金硬度升高的另一原因是碳元素添加導(dǎo)致形成了大量以胞狀結(jié)構(gòu)形式存在的W2C亞結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）LPBF成形W-21Re-C合金的成形工藝窗口較窄，在無基板預(yù)熱的條件下，僅P=200 W、v=200～600 mm/s和P=250 W、v=600 mm/s的條件下能夠良好成形。且LPBF成形后樣品表面及內(nèi)部存在孔洞及裂紋等缺陷。與LPBF成形純鎢裂紋相比，W-21Re-C合金的裂紋密度實現(xiàn)了一定程度的減少。

（2）LPBF成形W-21Re-C合金中存在大量胞狀結(jié)構(gòu)和枝晶狀結(jié)構(gòu)，其胞壁結(jié)構(gòu)和枝晶臂間隙位置為碳與鎢反應(yīng)生成的六方結(jié)構(gòu)W2C，并且存在錸元素的偏聚。

（3）在錸對鎢基體固溶強化和W2C胞狀結(jié)構(gòu)的共同作用下，LPBF成形W-21Re-C合金的顯微硬度顯著高于良好成形的LPBF純鎢。