3D打印技術(shù)參考于近日注意到，美國愛荷華州立大學(xué)機械工程系助理教授Sougata Roy新獲得由美國能源部（DoE）提供的為期四年、總金額高達(dá)100萬美元的研究資助，探索3D打印鎢材料在核反應(yīng)堆防護罩和其他組件制造方面的潛力。

核能鎢部件3D打印研發(fā)項目介紹

這項資金將用于支持“DREAM-TEAM”項目——“為極端應(yīng)用和管理工作開發(fā)強大的鎢增材制造生態(tài)系統(tǒng)（Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management）。Roy教授表示：“在先進(jìn)制造領(lǐng)域，增材制造技術(shù)的應(yīng)用能夠產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。核能是美國*大的清潔能源來源，這種無排放的電力對于未來的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。”

美國能源信息署的數(shù)據(jù)顯示，美國約有19%的電力供應(yīng)來自核能，而風(fēng)力發(fā)電則貢獻(xiàn)了大約10%。該項目團隊包括還北達(dá)科他大學(xué)的機械工程助理教授Yachao Wang（華裔），以及來自美國能源部三個國家實驗室：艾姆斯國家實驗室（位于愛荷華州立大學(xué)）、阿貢國家實驗室以及橡樹嶺國家實驗室。

這筆資助是美國能源部“建立計劃以刺激競爭性研究”（EPSCoR）項目的一部分，該項目總投資達(dá)3600萬美元，旨在提升全國能源相關(guān)研究能力和專業(yè)知識。研究團隊將專注于鎢材料，因其在高溫下保持強度、具有高熔點、能抵抗高能中子輻照下的侵蝕，并且能保持低水平的放射性氚，使其成為聚變反應(yīng)堆內(nèi)壁的理想材料。

然而，由于鎢材料的硬度和脆性，傳統(tǒng)制造工藝難以加工。研究團隊計劃采用激光粉末定向能量沉積，通過在控制氧氣的條件下使用激光處理鎢粉末，逐層打印金屬。根據(jù)使用背景，3D打印技術(shù)參考認(rèn)為這項研究更可能是制造較大尺寸的塊體鎢部件，而非一直被看到的鎢格柵。

Roy教授在3D打印核能應(yīng)用的鋼基合金方面擁有豐富經(jīng)驗，他表示，該項目將使他能夠購置新的儀器，用于表征打印樣品的機械性能（包括儀器壓痕特性和斷裂韌性）。

3D打印技術(shù)參考于此前介紹過，鎢的激光打印雖然可以通過合金化和工藝優(yōu)化來改善，但這兩種方法目前的成功均都有限。對于高比重鎢合金，由于成分多樣，性能差異大，熔點*高相差2400℃，各元素的飽和蒸氣壓不同。天津大學(xué)和中南大學(xué)的研究人員也指出，采用LPBF技術(shù)難以保證鎢合金中各成分的可控性，制造具有優(yōu)異機械性能全密度鎢合金同樣困難。

Roy教授指出，該項目的獨特之處不僅在于3D打印技術(shù)本身，更在于基于物理的建模和計算模擬，這些模擬將與實驗工作相結(jié)合。建模和模擬工作將涉及機器學(xué)習(xí)和人工智能工具，幫助研究人員建立實驗結(jié)果背后的理論基礎(chǔ)，并開發(fā)出能夠承受核反應(yīng)堆極端環(huán)境的鎢合金配方。Roy教授表示將從純鎢開始，*終目標(biāo)是開發(fā)出新的合金配方，解決裂紋問題。

已揭示3D打印鎢易形成裂紋的原因

此前，3D打印技術(shù)參考介紹了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員已經(jīng)確定了鎢3D打印出現(xiàn)微裂紋的原因。

通過將模擬與高速視頻相結(jié)合，研究人員能夠?qū)崟r可視化鎢3D打印過程中的韌性到脆性轉(zhuǎn)變(DBT)，該轉(zhuǎn)變是確定打印材料較低熱工作范圍極限的關(guān)鍵。當(dāng)金屬在暴露于高溫后冷卻時，不可避免地會遇到這一轉(zhuǎn)變（3D打印的一半規(guī)律）。較低的溫度會導(dǎo)致延展性急劇下降，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力和微裂紋。?

在激光粉末床熔融 (LPBF) 打印過程中，材料的快速持續(xù)加熱也會導(dǎo)致高殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致*終產(chǎn)品變形。雖然研究人員知道DBT會導(dǎo)致采用LPBF技術(shù)3D打印鎢時出現(xiàn)微裂紋，但發(fā)生這種情況的確切原因仍然是個謎。

LLNL的研究人員利用監(jiān)測技術(shù)，確定了殘余應(yīng)力、應(yīng)變率和溫度等變量是開裂的原因。研究小組得出結(jié)論，縱向裂紋部分緩解了合金的殘余應(yīng)力，并減少了部件上的橫向斷裂。模擬還顯示，較深的熔池形狀通常會導(dǎo)致在中間形成薄的垂直取向晶粒，這很容易導(dǎo)致裂紋的發(fā)生。

為了解決DBT過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，該團隊發(fā)現(xiàn)需要一種通用策略，將優(yōu)化的機器參數(shù)與材料組成相結(jié)合。預(yù)熱和控制構(gòu)建室內(nèi)的氧氣水平被認(rèn)為是降低應(yīng)變率的重要因素，合金中雜質(zhì)的濃度也很重要。?總體而言，LLNL團隊認(rèn)為他們的研究成果是朝著實現(xiàn)3D打印無裂紋鎢部件（用于極端環(huán)境）的目標(biāo)邁出的堅實一步。

3D打印“世界首創(chuàng)”復(fù)雜無缺陷鎢部件

3D打印技術(shù)參考注意到美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）于2024年5月發(fā)布了一則消息，該機構(gòu)已經(jīng)利用電子束3D打印技術(shù)制造出了首批復(fù)雜、無缺陷且具有復(fù)雜幾何形狀的鎢部件。經(jīng)測試，這些鎢部件能夠承受極端溫度。

為了解決純鎢在室溫下易碎的問題，ORNL研究人員開發(fā)了一種電子束3D打印機，可將鎢逐層沉積成*的三維形狀。該技術(shù)使用高真空磁導(dǎo)向粒子流將金屬粉末熔化為固體金屬，真空環(huán)境可減少異物污染和殘余應(yīng)力形成。ORNL Michael Kirka教授表示：“電子束增材制造有望用于加工復(fù)雜的鎢幾何形狀。這是擴大耐高溫金屬在能源資源中的應(yīng)用的重要一步，將為可持續(xù)、無碳的未來提供支持。”

除此之外，3D打印技術(shù)參考還注意到，吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)的倍豐研發(fā)部門于2023年成功在SP261設(shè)備上制造出整體尺寸為245x25x15mm的防散射柵格件，其壁厚*小達(dá)到0.1mm，成形精度控制在0.03mm以內(nèi)，致密度高達(dá)99%。同時純鎢打印件的100%透光率，保證了鎢柵格在醫(yī)療實際應(yīng)用中的CT探測器性能要求。倍豐技術(shù)團隊為打印這類極限壁厚的零件專門在自主開發(fā)的軟件中加入全新功能，該功能可以根據(jù)零件壁厚分配不同激光路徑，打破了傳統(tǒng)的激光路徑分配方案，克服在打印薄壁處能量高、易變性的技術(shù)難點。這也為打印0.1mm壁厚甚至更薄工件提供可能。\

除了激光或電子束3D打印，國內(nèi)升華三維開發(fā)的基于3D打印+粉末冶金的復(fù)合鎢合金成型工藝（PEP），在解決開裂方面具有優(yōu)勢。該公司推出的兩款獨立雙噴嘴3D打印機為穩(wěn)定制備大尺寸鎢合金等難熔金屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供支撐，通過PEP打印-脫脂-燒結(jié)制備的鎢合金相對密度可達(dá)99.6%。燒結(jié)后的鎢合金構(gòu)件，能達(dá)到或超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標(biāo)。

市場采用不斷增長

鎢的3D打印應(yīng)用一直備受關(guān)注，各種工藝類型均有不同特色。3D打印純鎢/鎢合金零件在各種應(yīng)用中的采用率正在顯著上升。

在航空航天領(lǐng)域，由于推進(jìn)系統(tǒng)和衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，對高強度、耐熱鎢部件的需求持續(xù)增長。

醫(yī)療應(yīng)用側(cè)重于鎢的生物相容性和密度，這對于輻射屏蔽和植入式設(shè)備至關(guān)重要。

由于鎢的耐用性，國防部門將3D打印鎢零件用于彈藥和電子屏蔽。

汽車應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴大，鎢被用在渦輪增壓器和傳動系統(tǒng)等發(fā)動機部件中，來提高性能和效率。

除了這些主要領(lǐng)域之外，其他應(yīng)用還包括電子產(chǎn)品，其中鎢的導(dǎo)電性和耐熱性在電路和半導(dǎo)體生產(chǎn)中得到充分利用。

增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步推動了市場的增長，使復(fù)雜的幾何形狀和*的材料特性能夠根據(jù)特定應(yīng)用需求量身定制。