编辑推荐：
本研究采用选择性激光熔融制备不同钨含量的Ta-W合金，系统研究了钨含量对微观结构、力学性能及变形行为的影响。结果表明，随着钨含量增加，合金硬度、抗拉强度提升，但延展性下降，其中Ta-10W合金在762 MPa强度下保持32.2%延展性，达到最佳平衡。
王月|张书琴|张晓航|雷云涛|李晓晨|戴子翔|刘家斌
中国浙江省杭州市浙江大学材料科学与工程学院硅与先进半导体材料国家重点实验室，310027
摘要
钽钨（Ta-W）合金具有出色的机械性能，尤其是在高温下，这使它们成为先进结构应用的理想材料。传统的制备方法存在固有的局限性，而关于这些不同成分合金的增材制造研究仍然不足。在本研究中，采用选择性激光熔化技术制备了一系列具有不同钨含量的Ta-W合金（具体为纯Ta、Ta-2.5W、Ta-5W和Ta-10W）。系统地研究了钨含量对其微观结构、机械性能和变形行为的影响。在所有研究的合金中，钨原子溶解到了钽晶格中，形成了体心立方固溶体。随着钨含量从0增加到10 wt%，合金的相对密度有所下降，但仍始终保持在98%以上。这一变化伴随着熔池的缩小、晶粒的持续细化以及<111>纤维纹理强度的减弱。机械测试表明，硬度和抗拉强度随钨含量的增加而单调增加，但延展性相应降低。变形微观结构的分析显示，高钨含量的Ta-W合金出现了更严重的应变局部化现象，从而导致更早的颈缩开始。总体而言，Ta-10W合金在机械性能上表现出最佳平衡，其极限抗拉强度达到了762 MPa，同时保持了32.2%的伸长率，从而证实了其卓越的机械性能。
引言
难熔金属及其合金，特别是基于钨、钽、钼和铌的合金，熔点超过2000°C，因此成为先进航空航天和核应用中的关键结构材料[1]。在这些材料中，钽钨（Ta-W）合金因其优异的高温强度和出色的耐腐蚀性而受到越来越多的关注[2,3]。大量研究致力于探讨各种Ta-W合金的机械行为、变形机制和微观结构演变[4][5][6][7][8]。值得注意的是，它们在超高温下的卓越性能引起了广泛关注[9,10]。例如，Ma等人[11]证明Ta-4W（重量百分比，以下相同）在2000°C以下仍具有连续的加工硬化能力。另外，Fan等人[12]通过选择性激光熔化（SLM）制备了Ta-5W，并报告了在该极端温度下的抗拉强度为75 MPa。这些优异的高温机械性能使Ta-W合金成为下一代超高温组件的领先候选材料。
传统的Ta-W合金制备方法，包括粉末冶金和真空熔炼，存在相当大的局限性，限制了其更广泛的应用[13][14][15][16][17]。相比之下，SLM采用逐层沉积策略，能够生产出复杂的几何形状，并显著提高材料利用率[18,19]。SLM特有的快速凝固过程还抑制了元素偏析，有助于形成精细均匀的微观结构[20,21]。近年来，关于Ta-W合金增材制造的研究日益增多，凸显了SLM解决这些长期工业问题的潜力[12,17]。
在传统加工的Ta-W合金中，钨的强化效应通常被认为是相对可预测的：随着钨含量的增加，强度提高，但延展性由于固溶体硬化和位错移动性的变化而降低[22]。然而，对SLM制备的Ta-W合金的研究发现，即使使用优化的参数，不同成分的合金也表现出不同的机械响应。例如，一项研究发现SLM制备的Ta-10W的抗拉强度约为765 MPa，伸长率为28%[23]；而另一项在类似优化条件下制备的Ta-5W的研究则显示其抗拉强度较低，仅为约598 MPa，伸长率约为25%[12]。这些结果表明，在SLM制备的Ta-W合金中增加钨含量可能会同时提高强度和延展性，这与传统加工合金中钨的作用不同。这种差异表明，不能仅凭个别研究或传统加工材料的趋势来可靠地推断增材制造Ta-W合金中钨含量的影响。
这种文献上的分歧凸显了一个基本问题：当严格控制加工引起的变化时，钨浓度如何内在地影响SLM制备的Ta-W合金的微观结构和机械行为？为了回答这个问题，我们采用了针对性的实验策略。使用严格一致的SLM参数制备了不同钨含量的纯Ta和Ta-W合金，并进行了相同的热处理。在完全相同的退火条件下评估这些材料，有效地将内在的成分效应与加工引起的变化区分开来。通过这种受控的系统性方法，本研究旨在阐明钨添加如何影响微观结构的演变，并为增材制造Ta-W合金的强度-延展性权衡提供基本见解。
材料制备方法
材料制备方法
纯Ta、Ta-2.5W、Ta-5W和Ta-10W的起始粉末来自广东星尘科技有限公司（Stardust Technology），并通过射频等离子球化（RFPS）工艺进行了处理。这些粉末具有高球形度和15–45 μm的一致粒径分布。如图1(b–d)所示，对Ta-10W粉末进行的横截面扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）表征证实了钽元素的均匀分布。
钨含量对微观结构的影响
图2(a, b)展示了不同钨含量样品的XRD图谱。所有样品中仅检测到钽的衍射峰，表明钨溶解到了钽基体中，形成了Ta-W固溶体。与纯Ta相比，Ta-W合金的衍射峰向右移动，且移动幅度随着钨含量的增加而逐渐增大。
结论
本研究通过SLM制备了不同钨含量的纯Ta和Ta-W合金，并随后进行了真空退火处理。随后系统地研究了它们的微观结构和机械性能，得出以下结论：
1.在所有测试的Ta-W合金中，钨原子都溶解到了钽晶格中。随着钨含量从0增加到10 wt%，相对密度显著下降，熔池逐渐缩小。此外，晶粒尺寸也发生了变化。
作者贡献声明
王月：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念构思。张书琴：方法论。张晓航：监督。雷云涛：资金获取。李晓晨：方法论。戴子翔：验证。刘家斌：撰写 – 审稿与编辑，研究，资金获取。
数据可用性声明
支持本研究结果的原始/处理数据可向相应作者索取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了中国浙江省自然科学基金（项目编号LD24E010006）和国家自然科学基金（项目编号92266202）的支持。
