晶界拓扑工程技术实现了钨材料的无裂纹增材制造

晶界拓扑工程通过多周期局部重扫描改善激光粉末床融合制备的钨材料裂纹抑制效果，实现无裂纹高性能块体钨制造。

　　

Mingshen Li | Renguang Liu | Andrew Godfrey | Yiming Niu | Shuyan Zhong | Menghan Ma | Yubin Lan | Jinhan Chen | Kailun Li | Wenjing Zhang | Wei Liu | Xiaoxu Huang | Huajian Gao

清华大学材料科学与工程学院先进材料实验室，北京 100084，中国

摘要

钨的增材制造（AM）受到晶间裂纹的严重限制，这源于其固有的脆性和粗大的凝固微观结构。本文证明，通过激光粉末床熔融（LPBF）中的多循环局部重扫描技术，可以在不进行极端预热或合金化的情况下制备出无裂纹、高性能的钨块材。可控的热机械循环作用引入了恢复良好的低角度位错边界，这些边界逐渐将直的凝固晶界重构为富含大二面角三重结的复杂网络。实验和有限元模拟表明，这种重构是由熔池下的循环高温塑性驱动的。大规模分子动力学模拟显示，这些大角度三重结具有强大的裂纹抑制能力，能够促进裂纹尖端的钝化并增强位错介导的塑性。最终获得的钨材料具有完整的密度、完全的裂纹抑制效果，其机械性能可与锻造材料相媲美。我们的研究结果确立了晶界拓扑工程作为一种通用设计原理，通过精确控制晶界网络的几何形状来提高脆性晶体的韧性。

引言

钨（W）因其无与伦比的熔点（Tm）以及出色的热稳定性和化学稳定性，在聚变反应堆等极端环境技术中的等离子体面对部件中至关重要[1]、[2]、[3]。然而，其体心立方（BCC）结构导致较高的脆性-韧性转变温度（DBTT）和有限的滑移能力[4]、[5]，使得该材料极易发生晶间断裂。这些特性严重限制了传统的加工方法和增材制造（AM）[6]、[7]；在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，剧烈的温度梯度会导致广泛的微裂纹[8]。 现有的缓解策略，如极端基板预热[9]、[10]、[11]、合金添加[11]、[12]或后处理[13]，只能提供部分解决方案。预热至接近1800°C的温度可以抑制裂纹，但会导致晶粒粗化并降低机械性能[9]。合金化虽然可以改变DBTT，但往往会影响材料的纯度或与等离子体的兼容性[13]。从根本上说，这些方法试图减少热应力，而非解决凝固后晶界网络的固有缺陷——这种网络为裂纹扩展提供了连续的路径。 本文提出了一种基于晶界拓扑工程的替代策略。我们不是通过最小化热应力，而是利用多循环局部重扫描技术对每一层材料进行可控的热机械循环处理。这一过程逐步重构了凝固微观结构，引入了恢复良好的低角度位错边界，这些边界与原有的高角度晶界相互作用，形成了富含大二面角三重结的精细、复杂的晶界网络（图1A）。这种拓扑特征打破了连续的晶间裂纹路径，迫使裂纹发生偏转、钝化并耗散能量。 这种方法的理论依据在于钨在脆性-韧性转变温度（DBTT）附近的断裂行为：此时晶界强度远低于晶体内部，晶间断裂成为主要的失效模式[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。我们假设裂纹的抑制并非由于单个晶界强度的增加，而是因为重构的晶界结构引入了几何障碍（尤其是大角度三重结），从而阻碍了裂纹的扩展。为了验证这一假设，我们结合了微观结构分析、循环高温塑性的有限元模拟以及裂纹-晶界相互作用的大规模分子动力学模拟。 结果表明，热机械循环在熔池下方产生了显著的高温塑性应变，促进了位错边界的恢复和组织，以及现有晶界的迁移，形成了复杂的锯齿状结构。分子动力学模拟进一步表明，大二面角三重结具有强大的裂纹抑制能力，能够诱导裂纹尖端的钝化和位错介导的塑性变形。 综上所述，晶界拓扑工程能够在不进行极端预热或合金化的情况下，制备出无裂纹、高性能的LPBF钨材料，其机械性能可与锻造材料媲美。更广泛地说，这项工作为通过精确控制晶界网络的几何形状来增强脆性晶体的韧性提供了通用设计原理。

钨的无裂纹增材制造与优异性能

通过采用多循环局部重扫描策略，我们成功制备出了完全致密、无裂纹的钨块材（方法部分）。逆极图（IPF）图（图1B）展示了LPBF加工典型的微观结构形态，而EBSD晶界图（图1C）显示了异常高的低角度晶界（LAGBs，1°–15°）密度。更高分辨率的EBSD图像（图1D）进一步揭示了这些LAGBs由多边形亚结构组成。

讨论

本文制备的无裂纹、高性能钨材料表明，脆性难熔金属的增材制造难题并非通过抑制热应力来解决，而是通过将其转化为微观结构重构的工具。钨在脆性-韧性转变温度附近的断裂行为主要由晶间裂纹主导，因为晶界的韧性远低于晶体内部[14]、[15]、[16]。

部分制备过程

本研究使用了纯度为99.9%、粒径为15–45 μm的球形钨粉（中国Yinna技术）。激光粉末床熔融（LPBF）是在SLM 280 HL（SLM Solutions Group AG）设备上进行的。研究了两种几何形状的样品：块状样品和独立支柱。 无裂纹的块状样品是通过堆叠局部重扫描后的体积层制备的（详细信息可另行提供）。简而言之，块状样品的横截面被填充了亚毫米级的结构。

CRediT作者贡献声明

Mingshen Li：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。 Renguang Liu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。 Andrew Godfrey：撰写 – 审稿与编辑、指导工作、方法论设计。 Yiming Niu：方法论设计。 Shuyan Zhong：方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国国家磁约束聚变能源研发计划（项目编号2022YEF03130003）、中国国家磁约束聚变能源研发计划（项目编号2019YFE03130003）以及国家自然科学基金（项目编号T2421001）的支持。