南極熊導(dǎo)讀：鎢及其合金作為熔點(diǎn)最高泄私、硬度極佳的一種金屬现粗，它的快速原型制造一直屬于極具挑戰(zhàn)性的工作。事實(shí)上，長(zhǎng)久以來(lái)鎢產(chǎn)品加工對(duì)于鎢行業(yè)內(nèi)的人來(lái)說(shuō)亦是難題宠能，加工工藝也僅局限于傳統(tǒng)的粉末冶金方式夸楣，更何談3D打印金屬這種新興未久的模式。因此抑月，如何實(shí)現(xiàn)鎢的3D打印在國(guó)防搂拴、軍工以及醫(yī)療等領(lǐng)域都有著十分重要的意義。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)苗鸦，甭管2D锤勉、3D，只要是能提質(zhì)增效的技術(shù)外羽，就值得來(lái)一探究竟赵街。

鎢金屬的特殊之處在于它的熔點(diǎn)可高達(dá)3410±20℃，這是鎢及其制品能夠被廣泛應(yīng)用的重要優(yōu)勢(shì)之一捡奖，不過(guò)在3D打印領(lǐng)域當(dāng)中张庄，也成為了需要攻克的一大技術(shù)難點(diǎn)。但是俗話說(shuō)的好窍蚤，生活本身就是一個(gè)不斷遇到問(wèn)題并且解決問(wèn)題的過(guò)程拢杠，而且辦法還總比問(wèn)題多。一旦能夠攻克鎢材難加工的痛點(diǎn)篮踏，3D打印也可以為鎢金屬打開(kāi)更廣闊的應(yīng)用前景铡喊。

3D打印鎢的原材料

正本清源喝撒，凡事要從源頭理起，與其他金屬3D打印一樣诅岩，3D打印鎢也需要具備基礎(chǔ)的原材料——球形鎢粉讳苦。與應(yīng)用到硬質(zhì)合金的普通鎢粉不同，球形鎢粉外觀呈球狀吩谦，具有粉末流動(dòng)性好和高振實(shí)密度的顯著特點(diǎn)鸳谜。

△普通鎢粉和球形鎢粉形貌差異

目前，國(guó)內(nèi)外制備球形鎢粉的主要方法一般分為以下6種：

1）采用仲鎢酸銨循環(huán)氧化還原法式廷，即傳統(tǒng)的氧化鎢多重氫氣還原的方式咐扭，可以得到近球形的鎢粉，且制造費(fèi)用較低滑废，但是球化不夠充分蝗肪；

2）利用制粒燒結(jié)法生產(chǎn)應(yīng)用于熱噴涂的球形粉末，可制得粒徑40～750μm的球形鎢粉蠕趁。該鎢粉末的致密度不高薛闪，且顆粒直徑較大，粉末較粗俺陋；

3）以六氟化鎢為原料制取細(xì)顆粒（3～5μm）的球形鎢粉豁延，該方法因涉及到強(qiáng)烈腐蝕性的氣體，生產(chǎn)條件比較惡劣降再，而在當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保要求較高的背景下其離規(guī)男匆矗化生產(chǎn)尚有一定的距離；

4）鎢棒用旋轉(zhuǎn)電極直流弧等離子體法制備球形鎢粉序峦，該方法只能制備顆粒較粗的粉末（150～1700μm）侥淤，不能制備尺寸較小精細(xì)球形鎢粉，而且設(shè)備成本十分昂貴无俏；

5）通過(guò)氣相沉積從六氟化鎢中制取大粒度（40～650μm）球狀鎢粉电动，由于該工藝涉及到強(qiáng)烈腐蝕性的氫氟酸，生產(chǎn)條件惡劣猿饿，且對(duì)環(huán)保要求很高褂洽，因此在實(shí)際應(yīng)用中很難得到大面積普及；

6）利用感應(yīng)耦合等離子體炬對(duì)W粉末進(jìn)行球化和氣冷耀骆，即可得到球形鎢粉痛祈，這也是制備高品質(zhì)球形鎢粉的良好途徑。不過(guò)該制備方法要求要有一個(gè)很大的冷卻室卢掖，冷卻室內(nèi)必須通以高純氬氣暴撼，成本很高，而且一次處理后粉末的球化率最高只能達(dá)到85％，要想得到全部是球形的粉末诉儒，就需要進(jìn)行多次的分選和再球化的過(guò)程葡缰，這顯然大大增加了生產(chǎn)成本。

作為3D打印制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎢制品件的原材料忱反，球形鎢粉的制備是新型鎢及其合金制品開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)泛释。但迄今為止，球形鎢粉的制備一直未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)温算，且欠缺對(duì)球形鎢粉的使用評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)怜校。

2019年，賽隆金屬在自主研發(fā)的大功率等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉裝備基礎(chǔ)上注竿，通過(guò)發(fā)展高功率密度等離子體技術(shù)茄茁，結(jié)合已開(kāi)發(fā)的高品質(zhì)3D打印球形鉭粉、球形鉬粉巩割、球形鈮合金粉末等工藝裙顽，生產(chǎn)出了純度高、球形度好喂分、少無(wú)衛(wèi)星粉的高品質(zhì)球形鎢粉熔又，滿足3D打印對(duì)高品質(zhì)球形粉末的各項(xiàng)要求协伴，可為高品質(zhì)鎢的3D打印提供原料基礎(chǔ)吱裙。這一重大成果的突破，將加快推進(jìn)了我國(guó)稀有難熔金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用杨趣。

△賽隆金屬推出的球形鎢粉顯微照片

3D打印鎢的微裂紋傾向

鎢是一種金屬3D打印材料臭颈，其特征在于適度的熱膨脹，高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱率凡搪。該合金的熱機(jī)械性能以及高密度和低濺射侵蝕率使其非常適合極端環(huán)境中的應(yīng)用伺狮。盡管鎢具有良好的特性，但由于缺乏耐熱沖擊性和低溫脆性轨凡，其廣泛采用受到了限制莱妥。韌性—脆性轉(zhuǎn)變（DBT）過(guò)渡對(duì)于確定打印材料較低的熱工作范圍的極限至關(guān)重要。當(dāng)金屬暴露于高溫（例如3D打印中發(fā)生的高溫）之后冷卻時(shí)文紧，不可避免地會(huì)遇到DBT過(guò)渡叔三。較低的溫度會(huì)導(dǎo)致延展性急劇下降，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力和微裂紋俭谨。

在激光粉末床熔合（LPBF）打印過(guò)程中硝拧，材料的持續(xù)快速加熱也會(huì)導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力，從而在最終產(chǎn)品中產(chǎn)生變形葛假。盡管可以理解DBT會(huì)在LPBF 3D打印的鎢中引起微裂紋障陶，但是發(fā)生這種現(xiàn)象的確切原因仍然是個(gè)謎。先前的研究人員曾嘗試在鎢中添加納米ZrC粉末，但結(jié)果參差不齊抱究。魯汶大學(xué)的科學(xué)家在2018年發(fā)現(xiàn)添加ZrC前后殘余應(yīng)力沒(méi)什么區(qū)別恢氯，而清華大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力降低了80％。為了找到導(dǎo)致微裂紋原因的最終答案鼓寺，來(lái)自勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)LPBF打印的方法酿雪。通過(guò)將模擬與高速視頻相結(jié)合，研究人員能夠?qū)崟r(shí)觀察3D打印過(guò)程中鎢的韌性－脆性轉(zhuǎn)變（DBT）侄刽，該研究提供的基本結(jié)論有助于將來(lái)開(kāi)發(fā)無(wú)裂紋的增材制造鎢制品指黎。這一相關(guān)成果于2020年5月發(fā)布在《Acta Materialia》中的《Analysis of laser－induced microcracking in tungsten under additive manufacturing conditions： Experiment and simulation》一文中。

△LLNL團(tuán)隊(duì)使用Phototron相機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視打印過(guò)程

LLNL小組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

為了全面評(píng)估開(kāi)裂與溫度引起的應(yīng)力之間的關(guān)系州丹，LLNL科學(xué)家采用了Photron SA－X2高速相機(jī)醋安。該設(shè)備聚焦在軌道的中心，激光掃描整個(gè)圖像墓毒。利用Navitar Zoom 6000系統(tǒng)侠森，沿著鎢片匯總掃描了2mm長(zhǎng)的單條軌跡。然后使用高斯光束直徑分別為50 ?m和100 ?m來(lái)研究光束光斑尺寸對(duì)工藝的影響笨墙，每個(gè)參數(shù)重復(fù)20次磺勋。研究人員使用LLNL的Diablo Lagrangian元素代碼軟件，隨后對(duì)鎢基底上的走線進(jìn)行了熱和熱機(jī)械模擬刷粒。

△掃描軌跡的共焦圖像（v ＝ 300 mm ／ s秉疚，P ＝ 400 W，?＝ 100 μm）宵穆，指示軌跡周圍引起裂紋的區(qū)域椅勿。

△動(dòng)態(tài)演示

即使使用半對(duì)稱來(lái)減小模擬的大小，每個(gè)模擬都使用了大約一百萬(wàn)個(gè)元素糯侍，每個(gè)計(jì)算時(shí)間大約為1扯际，000 cpu－h(huán)our。測(cè)試結(jié)果表明洞逼，熔池通過(guò)后延遲了一段時(shí)間注芯，開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。在出現(xiàn)縱向裂縫之前党饮，將激光功率從250 ?m增加到600 ?m肝陪，這也導(dǎo)致了它們之間的間距更大。

△圖片來(lái)自LLNL

最終劫谅，研究團(tuán)隊(duì)利用監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)见坑，殘余應(yīng)力、應(yīng)變率和溫度之類的變量是鎢打印部件開(kāi)裂的主要原因捏检。其中荞驴，縱向裂紋部分緩解了合金的殘余應(yīng)力不皆，并導(dǎo)致沿零件的橫向斷裂更少。模擬還顯示熊楼，熔池深的形狀通常會(huì)導(dǎo)致凝固池中間形成垂直取向的細(xì)晶粒霹娄，從而容易產(chǎn)生裂紋。為了解決DBT所涉及的殘余應(yīng)力鲫骗，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)需要一種將優(yōu)化的機(jī)器參數(shù)與材料組成相結(jié)合的通用策略犬耻。可以預(yù)見(jiàn)并控制鑄腔室內(nèi)的氧氣含量對(duì)降低應(yīng)變速率很重要执泰，合金中雜質(zhì)的濃度也很重要枕磁。

LLNL團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)是朝著在極端環(huán)境中應(yīng)用3D打印無(wú)裂紋鎢零件的目標(biāo)邁出的堅(jiān)實(shí)的第一步杖烘。該團(tuán)隊(duì)的首席研究員勞倫斯·費(fèi)勒·貝·弗蘭肯表示：“我以為鎢的開(kāi)裂會(huì)有所延遲涉捂，但結(jié)果大大超出了我的預(yù)期。熱力學(xué)模型為我們所有的實(shí)驗(yàn)觀察提供了解釋于抬，并且兩者都足夠詳細(xì)渣冒，足以捕獲DBT的應(yīng)變率依賴性。使用這種方法元邻，我們擁有一個(gè)出色的工具琅瘦，可以確定消除鎢的LPBF期間開(kāi)裂的最有效策略。由于其獨(dú)特的性能咒付，鎢在能源部和國(guó)防部的特定任務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用乌诚。這項(xiàng)工作有助于為鎢的新增材制造加工領(lǐng)域鋪平道路，這可能會(huì)對(duì)這些任務(wù)產(chǎn)生重大影響膨泄≌咦保”

3D打印鎢制品的應(yīng)用

在應(yīng)用方面，首當(dāng)其沖的便是鎢制品在放射性醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用段丸。新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，醫(yī)學(xué)CT設(shè)備對(duì)3D打印鎢零件的需求不斷增長(zhǎng)抡草。例如最近應(yīng)用較多的3D打印鎢防散射柵格饰及，此類產(chǎn)品一般應(yīng)用于醫(yī)用CT探測(cè)器中吸收過(guò)濾散射以及折射的X射線，因此對(duì)材料的硬度康震、精度燎含、吸收輻射能力有較高的要求。使用3D打印技術(shù)能夠更高效地打印出壁厚更薄腿短、密度更高屏箍、剛度更強(qiáng)、吸收散射輻射更多橘忱、遮光度更好赴魁、設(shè)計(jì)靈活度與自由度更大的防散射柵格卸奉，不過(guò)在生產(chǎn)時(shí)需要克服鎢合金低溫脆性容易引起開(kāi)裂的技術(shù)難關(guān)。

國(guó)內(nèi)方面颖御，在2016年的珠海航展上榄棵，鉑力特展示了他們3D打印的鎢合金零件，雖然零件不大但卻是技術(shù)的新突破潘拱。鉑力特通過(guò)對(duì)鎢合金的3D打印技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究疹鳄，解決了難熔金屬鎢材料的激光精密成形，成為了國(guó)內(nèi)第一家可以打印鎢材料的企業(yè)唠芋。在珠海航展首次亮相的“光柵”就是用鎢材料3D打印而成的摹钳，并且達(dá)到了很高的致密度。

△鉑力特在2016年珠海航展上展出的3D打印鎢合金零件

蘇州倍豐激光科技有限公司前不久成功打印出醫(yī)療CT掃描儀中對(duì)成像清晰度有直接影響的重要部件——鎢合金防散射柵格件拧淘，經(jīng)檢測(cè)耿把，打印件各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)該部件將投入到CT掃描儀中實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用条肢。

△3D打印鎢防散射柵格

該公司運(yùn)營(yíng)經(jīng)理孫明豐表示舍仙，傳統(tǒng)的防散射柵格結(jié)構(gòu)為二維薄片組成，加工難度極高稀忘，很難保證防散射要求云钻。在高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)架上，防散射柵格很容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形扣筛，而影響圖像質(zhì)量聋寻。同時(shí)，防散射柵格結(jié)通常以鎢合金為材料水导，而它極高的硬度和熔點(diǎn)使得在3D打印中極容易開(kāi)裂坠狡。倍豐激光經(jīng)過(guò)大量的材料研究及工藝路線設(shè)計(jì)成功突破了目前鎢合金3D打印的技術(shù)難點(diǎn)。技術(shù)團(tuán)隊(duì)特意為打印這種極限壁厚零件在自主研發(fā)的軟件中開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的新功能遂跟，該功能可以根據(jù)零件的壁厚分配不同的激光路徑逃沿，打破了傳統(tǒng)的激光路徑分配方案，克服了在打印薄壁處能量高幻锁、易變性的技術(shù)難點(diǎn)凯亮。這也為打印0．1mm壁厚甚至更薄工件提供可能，刷新了金屬3D打印極限壁厚領(lǐng)域的記錄哄尔。

同時(shí)假消，該公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對(duì)鎢合金較難打印的問(wèn)題進(jìn)行材料改性。孫明豐說(shuō)：“最終岭接，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)了近220組工藝參數(shù)后成功打印出鎢合金防散射柵格富拗，其壁厚達(dá)到0．1mm，成形精度控制在0．02mm鸣戴，致密度高達(dá)99％啃沪。通過(guò)鎢合金材料打印出來(lái)的防散射柵格粘拾，整體剛度強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柵格標(biāo)準(zhǔn)，保證了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中在大離心力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性谅阿∷渖唬”

在國(guó)外，飛利浦旗下的影像設(shè)備零部件制造商Dunlee是3D打印鎢防散射網(wǎng)格的領(lǐng)先制造商碴秽，通過(guò)選區(qū)激光熔化3D打印與純鎢金屬材料沾陡，為醫(yī)學(xué)影像設(shè)備用戶及其他工業(yè)制造用戶，提供創(chuàng)新性的增材制造純鎢零件承叫。Dunlee公司所生產(chǎn)的3D打印鎢金屬防散射濾線柵蔫沐，用于醫(yī)學(xué)CT 設(shè)備中，作用是吸收有害的散射輻射织鳖，從而顯著提高CT圖像的質(zhì)量激点。例如，在錐束CT中卷哟，Dunlee的2D防散射濾線柵與以前的解決方案相比开辫，將信噪比提高了1．7倍。

近日來(lái)役躬，國(guó)外疫情不斷反彈颤榛，對(duì)于CT檢查的需求也隨之增加。根據(jù)Dunlee 最近消息纸兔，他們正在增加醫(yī)學(xué)影像設(shè)備CT 所需的3D打印鎢金屬防散射濾線柵的產(chǎn)量惰瓜，并與3D打印合作伙伴EOS 公司合作增加新的打印設(shè)備，從而支持新冠狀病毒（COVID－19）流行期間的CT 檢查需求汉矿。

2021年4月崎坊，AMCM M290 Dual FDR 雙激光3D打印機(jī)抵達(dá)EOS上海技術(shù)中心， 該設(shè)備采用40微米的激光光斑直徑以及經(jīng)驗(yàn)證的鎢參數(shù)洲拇，達(dá)到防散射光柵對(duì)于格柵位置精度奈揍、薄壁厚度以及內(nèi)壁表面質(zhì)量的要求。

△來(lái)源：Dunlee

據(jù)了解呻待，另一家醫(yī)學(xué)影像巨頭GE 也通過(guò)金屬3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了鎢金屬準(zhǔn)直器打月，此外GE 增材制造部門提供可制造鎳基高溫合金、鎢等高溫材料的EBM 3D打印技術(shù)蚕捉。國(guó)內(nèi)企業(yè)中，智束科技柴淘、永年激光迫淹、湖南伊澍智能制造等少數(shù)企業(yè)也在開(kāi)發(fā)鎢金屬材料的增材制造應(yīng)用。

此外为严，也有研究嘗試將鎢引入到除激光增材制造外的3D打印方法升筛，例如粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)供應(yīng)商ExOne已與Global Tungsten＆Powders Corp建立了合作關(guān)系振沾，以促進(jìn)鎢粉在粘結(jié)劑噴射制造中的使用。雙方的合作有望優(yōu)化合金材料柳竟，以生產(chǎn)切削工具莽恩，耐磨零件以及高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率應(yīng)用。

癌癥研究所（ICR）和皇家馬斯登醫(yī)院的科學(xué)家在伽瑪相機(jī)中使用了3D打印的鎢片慰乾，以進(jìn)行更高分辨率的醫(yī)學(xué)成像妨试。成像技術(shù)捕獲了注入癌癥患者的藥物發(fā)出的輻射的痕跡。

匹茲堡大學(xué)和合成金屬的生產(chǎn)商通用碳化物獲得了57殊童，529美元的贈(zèng)款词俏，用于研究碳化鎢在3D打印中的用途。這項(xiàng)聯(lián)合研究安排使通用硬質(zhì)合金公司可以分擔(dān)擴(kuò)展其產(chǎn)品組合的成本海泵，同時(shí)開(kāi)發(fā)更復(fù)雜和通用的零件标腮。

總結(jié)

鎢金屬的3D打印制品有望擴(kuò)展到各行各業(yè)當(dāng)中，除了在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用围婴，鎢金屬還因其很高的耐腐蝕性祈很，是電子、電光源钠四、化學(xué)處理盗扒、航天以及軍工、武器行業(yè)的理想材料形导。然而环疼，也正是由于高熔點(diǎn)和高硬度的特性，使鎢成為一種難加工材料朵耕，而鎢金屬增材制造也存在難點(diǎn)炫隶。對(duì)于鎢增材制造材料、工藝的研究及其應(yīng)用仍在發(fā)展當(dāng)中阎曹。不過(guò)我們需要保持樂(lè)觀的是伪阶，作為主打鎢材料加工的粉末冶金工藝已有百年歷史，而增材制造卻僅發(fā)展了短短幾十年处嫌，在探索3D打印鎢材料這條路上栅贴，還有太多的驚喜和挑戰(zhàn)值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

（南極熊3d打印 ）

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