鎢及其合金作為熔點*高、硬度極佳的一種金屬，它的快速原型制造一直屬于極具挑戰(zhàn)性的工作。事實上，長久以來鎢產(chǎn)品加工對于鎢行業(yè)內(nèi)的人來說亦是難題，加工工藝也僅局限于傳統(tǒng)的粉末冶金方式，更何談3D打印金屬這種新興未久的模式。因此，如何實現(xiàn)鎢的3D打印在國防、軍工以及醫(yī)療等領(lǐng)域都有著十分重要的意義。不過話說回來，甭管2D、3D，只要是能提質(zhì)增效的技術(shù)，就值得來一探究竟。

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

3D打印鎢的原材料

正本清源，凡事要從源頭理起，與其他金屬3D打印一樣，3D打印鎢也需要具備基礎(chǔ)的原材料――球形鎢粉。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，具有粉末流動性好和高振實密度的顯著特點。

目前，國內(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，即傳統(tǒng)的氧化鎢多重氫氣還原的方式，可以得到近球形的鎢粉，且制造費用較低，但是球化不夠充分；

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。該鎢粉末的致密度不高，且顆粒直徑較大，粉末較粗；

3）以六氟化鎢為原料制取細(xì)顆粒（3～5μm）的球形鎢粉，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，而在當(dāng)今社會對環(huán)保要求較高的背景下其離規(guī)?；a(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，該方法只能制備顆粒較粗的粉末（150～1700μm），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；

5）通過氣相沉積從六氟化鎢中制取大粒度（40～650μm）球狀鎢粉，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，且對環(huán)保要求很高，因此在實際應(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W粉末進(jìn)行球化和氣冷，即可得到球形鎢粉，這也是制備高品質(zhì)球形鎢粉的良好途徑。不過該制備方法要求要有一個很大的冷卻室，冷卻室內(nèi)必須通以高純氬氣，成本很高，而且一次處理后粉末的球化率*高只能達(dá)到85％，要想得到全部是球形的粉末，就需要進(jìn)行多次的分選和再球化的過程，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，球形鎢粉的制備是新型鎢及其合金制品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。但迄今為止，球形鎢粉的制備一直未實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且欠缺對球形鎢粉的使用評價環(huán)節(jié)。

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，通過發(fā)展高功率密度等離子體技術(shù)，結(jié)合已開發(fā)的高品質(zhì)3D打印球形鉭粉、球形鉬粉、球形鈮合金粉末等工藝，生產(chǎn)出了純度高、球形度好、少無衛(wèi)星粉的高品質(zhì)球形鎢粉，滿足3D打印對高品質(zhì)球形粉末的各項要求，可為高品質(zhì)鎢的3D打印提供原料基礎(chǔ)。這一重大成果的突破，將加快推進(jìn)了我國稀有難熔金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用。

3D打印鎢的微裂紋傾向

鎢是一種金屬3D打印材料，其特征在于適度的熱膨脹，高熔點和高導(dǎo)熱率。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。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，其廣泛采用受到了限制。韌性―脆性轉(zhuǎn)變（DBT）過渡對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，不可避免地會遇到DBT過渡。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。

在激光粉末床熔合（LPBF）打印過程中，材料的持續(xù)快速加熱也會導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力，從而在*終產(chǎn)品中產(chǎn)生變形。盡管可以理解DBT會在LPBF3D打印的鎢中引起微裂紋，但是發(fā)生這種現(xiàn)象的確切原因仍然是個謎。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。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)力沒什么區(qū)別，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*終答案，來自勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種現(xiàn)場監(jiān)測LPBF打印的方法。通過將模擬與高速視頻相結(jié)合，研究人員能夠?qū)崟r觀察3D打印過程中鎢的韌性－脆性轉(zhuǎn)變（DBT），該研究提供的基本結(jié)論有助于將來開發(fā)無裂紋的增材制造鎢制品。這一相關(guān)成果于2020年5月發(fā)布在《ActaMaterialia》中的《Analysisoflaser－inducedmicrocrackingintungstenunderadditivemanufacturingconditions：Experimentandsimulation》一文中。

LLNL小組的實時監(jiān)測方法

為了全面評估開裂與溫度引起的應(yīng)力之間的關(guān)系，LLNL科學(xué)家采用了PhotronSA－X2高速相機(jī)。該設(shè)備聚焦在軌道的中心，激光掃描整個圖像。利用NavitarZoom6000系統(tǒng)，沿著鎢片匯總掃描了2mm長的單條軌跡。然后使用高斯光束直徑分別為50?m和100?m來研究光束光斑尺寸對工藝的影響，每個參數(shù)重復(fù)20次。研究人員使用LLNL的DiabloLagrangian元素代碼軟件，隨后對鎢基底上的走線進(jìn)行了熱和熱機(jī)械模擬。

即使使用半對稱來減小模擬的大小，每個模擬都使用了大約一百萬個元素，每個計算時間大約為1，000cpu－h(huán)our。測試結(jié)果表明，熔池通過后延遲了一段時間，開始出現(xiàn)裂紋。在出現(xiàn)縱向裂縫之前，將激光功率從250?m增加到600?m，這也導(dǎo)致了它們之間的間距更大。

*終，研究團(tuán)隊利用監(jiān)測技術(shù)發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力、應(yīng)變率和溫度之類的變量是鎢打印部件開裂的主要原因。其中，縱向裂紋部分緩解了合金的殘余應(yīng)力，并導(dǎo)致沿零件的橫向斷裂更少。模擬還顯示，熔池深的形狀通常會導(dǎo)致凝固池中間形成垂直取向的細(xì)晶粒，從而容易產(chǎn)生裂紋。為了解決DBT所涉及的殘余應(yīng)力，該團(tuán)隊發(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?？梢灶A(yù)見并控制鑄腔室內(nèi)的氧氣含量對降低應(yīng)變速率很重要，合金中雜質(zhì)的濃度也很重要。

LLNL團(tuán)隊認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)是朝著在極端環(huán)境中應(yīng)用3D打印無裂紋鎢零件的目標(biāo)邁出的堅實的*步。該團(tuán)隊的首席研究員勞倫斯?費勒?貝?弗蘭肯表示：“我以為鎢的開裂會有所延遲，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驗觀察提供了解釋，并且兩者都足夠詳細(xì)，足以捕獲DBT的應(yīng)變率依賴性。使用這種方法，我們擁有一個出色的工具，可以確定消除鎢的LPBF期間開裂的*有效策略。由于其獨特的性能，鎢在能源部和國防部的特定任務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。這項工作有助于為鎢的新增材制造加工領(lǐng)域鋪平道路，這可能會對這些任務(wù)產(chǎn)生重大影響。”

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。新冠疫情爆發(fā)以來，醫(yī)學(xué)CT設(shè)備對3D打印鎢零件的需求不斷增長。例如*近應(yīng)用較多的3D打印鎢防散射柵格，此類產(chǎn)品一般應(yīng)用于醫(yī)用CT探測器中吸收過濾散射以及折射的X射線，因此對材料的硬度、精度、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、密度更高、剛度更強(qiáng)、吸收散射輻射更多、遮光度更好、設(shè)計靈活度與自由度更大的防散射柵格，不過在生產(chǎn)時需要克服鎢合金低溫脆性容易引起開裂的技術(shù)難關(guān)。

國內(nèi)方面，在2016年的珠海航展上，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。鉑力特通過對鎢合金的3D打印技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，解決了難熔金屬鎢材料的激光精密成形，成為了國內(nèi)*家可以打印鎢材料的企業(yè)。在珠海航展首次亮相的“光柵”就是用鎢材料3D打印而成的，并且達(dá)到了很高的致密度。

蘇州倍豐激光科技有限公司前不久成功打印出醫(yī)療CT掃描儀中對成像清晰度有直接影響的重要部件――鎢合金防散射柵格件，經(jīng)檢測，打印件各項數(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掃描儀中實現(xiàn)批量應(yīng)用。

該公司運營經(jīng)理孫明豐表示，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，很難保證防散射要求。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，而影響圖像質(zhì)量。同時，防散射柵格結(jié)通常以鎢合金為材料，而它極高的硬度和熔點使得在3D打印中極容易開裂。倍豐激光經(jīng)過大量的材料研究及工藝路線設(shè)計成功突破了目前鎢合金3D打印的技術(shù)難點。技術(shù)團(tuán)隊特意為打印這種極限壁厚零件在自主研發(fā)的軟件中開發(fā)了獨特的新功能，該功能可以根據(jù)零件的壁厚分配不同的激光路徑，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、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，刷新了金屬3D打印極限壁厚領(lǐng)域的記錄。

同時，該公司技術(shù)團(tuán)隊針對鎢合金較難打印的問題進(jìn)行材料改性。孫明豐說：“*終，我們在實驗了近220組工藝參數(shù)后成功打印出鎢合金防散射柵格，其壁厚達(dá)到0．1mm，成形精度控制在0．02mm，致密度高達(dá)99％。通過鎢合金材料打印出來的防散射柵格，整體剛度強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柵格標(biāo)準(zhǔn)，保證了實際應(yīng)用過程中在大離心力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。”

在國外，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*制造商，通過選區(qū)激光熔化3D打印與純鎢金屬材料，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。Dunlee公司所生產(chǎn)的3D打印鎢金屬防散射濾線柵，用于醫(yī)學(xué)CT設(shè)備中，作用是吸收有害的散射輻射，從而顯著提高CT圖像的質(zhì)量。例如，在錐束CT中，Dunlee的2D防散射濾線柵與以前的解決方案相比，將信噪比提高了1．7倍。

近日來，國外疫情不斷反彈，對于CT檢查的需求也隨之增加。根據(jù)Dunlee*近消息，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，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。

2021年4月，AMCMM290DualFDR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)驗證的鎢參數(shù)，達(dá)到防散射光柵對于格柵位置精度、薄壁厚度以及內(nèi)壁表面質(zhì)量的要求。

據(jù)了解，另一家醫(yī)學(xué)影像巨頭GE也通過金屬3D打印技術(shù)開發(fā)了鎢金屬準(zhǔn)直器，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EBM3D打印技術(shù)。國內(nèi)企業(yè)中，智束科技、永年激光、湖南伊澍智能制造等少數(shù)企業(yè)也在開發(fā)鎢金屬材料的增材制造應(yīng)用。

此外，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，例如粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)供應(yīng)商ExOne已與GlobalTungsten＆PowdersCorp建立了合作關(guān)系，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，以生產(chǎn)切削工具，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，以進(jìn)行更高分辨率的醫(yī)學(xué)成像。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57，529美元的贈款，用于研究碳化鎢在3D打印中的用途。這項聯(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，同時開發(fā)更復(fù)雜和通用的零件。

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，鎢金屬還因其很高的耐腐蝕性，是電子、電光源、化學(xué)處理、航天以及軍工、武器行業(yè)的理想材料。然而，也正是由于高熔點和高硬度的特性，使鎢成為一種難加工材料，而鎢金屬增材制造也存在難點。對于鎢增材制造材料、工藝的研究及其應(yīng)用仍在發(fā)展當(dāng)中。不過我們需要保持樂觀的是，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，在探索3D打印鎢材料這條路上，還有太多的驚喜和挑戰(zhàn)值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>