脆性钨金属成形，电子束熔化3D打印技术“小荷才露尖尖角”

根据市场观察，德国卡尔斯鲁厄理工学院KIT 研究人员近日通过电子束熔化打印在高温下使用的钨组件获得了进展。

钨的熔点是所有金属元素中最高的，为 3,422 摄氏度。密度(19.3 g/cm³)很高，钨的硬度也很高，如碳化钨的硬度则与金刚石接近。此外，钨还具有良好的导电性和导热性，较小的膨胀系数等特性，因而被广泛应用到合金、电子、化工等领域，其中硬质合金是钨最大的消费领域。

钨金属是典型的难熔金属，难成形材料，也难以通过金属3D打印技术进行加工。根据市场观察，目前少量企业通过基于粉末床工艺的电子束熔化（EBM）和选区激光熔化（SLM）3D打印技术在探索纯钨以及钨合金的制造，这两种技术均为直接金属3D打印技术。

小荷才露尖尖角

钨材料非常适合在高温下使用，例如太空火箭喷嘴、高温炉的加热元件或聚变反应堆。然而，钨金属非常脆，因此难以加工。根据市场观察，KIT的研究人员开发了一种创新方法来使这种脆性材料变软。为了加工钨，他们确定了新的电子束熔化工艺参数。

钨金属在室温下非常脆。由于其特性，钨很难使用传统方法进行加工。处理既昂贵又耗时。在亥姆霍兹协会和 EUROfusion、欧洲聚变计划的研究计划的支持下，通过电子束熔化（简称 EBM）来增材制造钨组件，KIT 应用材料研究所 – 材料科学与工程 (IAM-WK) 成功地将 EBM 工艺应用于钨，开发出特定的工艺参数。

对抗裂纹

根据市场了解，钨组件的 3D 打印现在成为可能。钨金属可以应用于许多领域，由于其特殊的性能，非常适合能源和光技术、航空航天工业和医疗工程中的高温应用。在现代高科技工业中不可或缺。

EBM增材制造方法在真空下加速的电子选择性地熔化金属粉末，并以这种方式以增材方式生成 3D 组件，即逐层生成。这种方法的一大优势在于所使用的能源，即电子束。可以在熔化前预热金属粉末和承载板，从而减少变形和内应力。可加工常温下易断裂、高温下易变形的材料。

根据市场研究，一方面通过EBM增材制造钨合金是一种有效的方法，另一方面LPBF基于粉末床的激光增材制造技术，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家开展了一项表征钨3D打印微裂纹形成方式和原因的研究，他们将热机械仿真与在粉末床激光熔化金属3D打印过程中拍摄的高速视频相结合，首次能够实时观察钨金属的韧性到脆性转变（DBT），观察到了微裂纹是如何随着金属的加热和冷却而引发和扩散。研究团队能够将微裂纹现象与残余应力，应变速率和温度等变量相关联，并确认是由DBT 引起裂纹。

 商业化进行时

在钨金属3D打印的商业化进程方面，根据市场观察，世界范围内钨粉制造商GTP 正在推进两种钨合金粉末的研发，与以往涉及到的钨合金3D打印粉末所不同的是，这两种钨合金材料将用于粘结剂喷射这一间接金属3D打印技术。

GTP 同时还提供用于EBM 和SLM 金属3D打印的钨合金粉末，在开发粉末的同时对于钨合金材料的3D打印工艺参数进行了研究。GTP曾与合作伙伴进行了一项题为“直接金属激光烧结/选区激光熔融钨粉”的研究，目的是确定影响钨粉致密化的关键工艺参数，这对于制造具有良好机械性能的复杂零件至关重要。研究团队还对低表观密度或低球形粉末作为选区激光熔融3D打印原材料的可行性进行了研究。

在应用方面，根据市场观察，医学影像巨头GE 也通过金属3D打印技术开发了钨金属准直器，此外GE 增材制造部门提供可制造镍基高温合金、钨等高温材料的EBM 3D打印技术。在纯钨或钨合金的3D打印商业化应用方面，根据市场研究，飞利浦旗下的医疗成像元件制造商Smit Röntgen 已通过金属3D打印设备制造了一系列纯钨零件，例如通过SLM 3D打印制造X射线设备中的针孔准直器零件。3D打印对于生成薄壁零件十分有效，这给准直孔径角和形状带来极大地制造自由度。

国内企业中，西安铂力特、湖南伊澍智能制造等少数企业也在开发钨金属材料的增材制造应用。铂力特已利用SLM 3D打印设备开发出了钨合金3D打印零件，零件整体采用薄壁结构，最小壁厚仅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技术开展了对WC-Co硬质合金层-金刚石复合材料组分以及材料增材制造工艺参数的研究，该技术旨在解决硬质合金刀具涂层剥落的问题，利用增材制造工艺与材料，实现金刚石涂层材料与WC-Co硬质合金层以化学键方式的结合。

来源：3D科学谷

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