鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3000℃以上，是典型的難熔金屬，難成形材料，適用于極端溫度環(huán)境中的應(yīng)用，例如燈絲、電弧焊、輻射屏蔽零件，或作為聚變堆中的等離子體第一壁材料。鎢是一種戰(zhàn)略性資源，如果可以克服難加工的瓶頸，其發(fā)展前景不可小覷。

由于粉末床激光熔化(LPBF)增材制造工藝能夠創(chuàng)造復(fù)雜的幾何形狀，對(duì)于鎢材料加工來(lái)說(shuō)是個(gè)不錯(cuò)的選擇，利用這一技術(shù)可以開(kāi)辟鎢的新應(yīng)用。但是鎢固有的脆性以及增材制造時(shí)發(fā)生的微裂紋會(huì)損害結(jié)構(gòu)的完整性，阻礙了鎢金屬3D打印的廣泛應(yīng)用。

勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家開(kāi)展了一項(xiàng)表征鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究，他們將熱機(jī)械仿真與在粉末床激光熔化金屬3D打印過(guò)程中拍攝的高速視頻相結(jié)合，首次能夠?qū)崟r(shí)觀察鎢金屬的韌性到脆性轉(zhuǎn)變（DBT），觀察到了微裂紋是如何隨著金屬的加熱和冷卻而引發(fā)和擴(kuò)散。研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑽⒘鸭y現(xiàn)象與殘余應(yīng)力，應(yīng)變速率和溫度等變量相關(guān)聯(lián)，并確認(rèn)是由DBT 引起裂紋。

為無(wú)裂紋增材制奠定基礎(chǔ)

這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上，論文揭示了3D打印鎢裂紋產(chǎn)生的基本機(jī)理，為將來(lái)通過(guò)粉末床激光熔化工藝制造無(wú)裂紋的鎢金屬零件奠定基礎(chǔ)。

論文談到，韌性到脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)決定了實(shí)際工作范圍的溫度下限。在較高溫度下相對(duì)容易移動(dòng)的螺型位錯(cuò)會(huì)在低溫下變得無(wú)法移動(dòng)，從而導(dǎo)致較低溫度下塑性的突然急劇降低。韌脆轉(zhuǎn)變(DBT)發(fā)生在室溫(473-673開(kāi)爾文（K）以上)并且在高溫處理冷卻下來(lái)時(shí)不可避免地會(huì)發(fā)生，此時(shí)，加工引起的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致微裂紋。

韌性到脆性轉(zhuǎn)變溫度很大程度上取決于間隙雜質(zhì)含量。當(dāng)氧雜質(zhì)含量從10 ppm小幅增加到50 ppm時(shí)，則該轉(zhuǎn)變溫度從623K增加到823K。在粉末床激光熔化3D打印工藝中，快速且重復(fù)的局部加熱、固化和冷卻循環(huán)會(huì)產(chǎn)生高殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形、開(kāi)裂，并影響零件機(jī)械性能。在一些關(guān)于鎢增材制造研究中，已有大于98%高密度的報(bào)道，但是沒(méi)有一個(gè)能夠避免微裂紋的形成。

論文談到，合金化與調(diào)整工藝參數(shù)是改善微裂紋的兩種可能的方法，但成功率仍然有限。例如，通過(guò)在原始鎢粉中添加納米級(jí)ZrC粉末來(lái)減少裂紋，導(dǎo)致晶粒尺寸減小了50％。在通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)整來(lái)減少裂紋的方式中，主要方式是將打印基板預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱至673K時(shí)未帶來(lái)明顯改善，預(yù)熱至1273K 時(shí)觀察到裂紋減少。

盡管現(xiàn)在已經(jīng)知道韌脆轉(zhuǎn)變(DBT)是鎢3D打印中產(chǎn)生微裂紋的原因，但由于研究?jī)H限于對(duì)裂紋的事后檢驗(yàn)階段，因此仍缺乏對(duì)其形成的基本了解。LLNL 實(shí)驗(yàn)室的研究則是利用鎢單軌的現(xiàn)場(chǎng)高速視頻將鎢金屬的韌脆轉(zhuǎn)變可視化，更詳細(xì)地研究了工藝參數(shù)和熔體幾何形狀對(duì)裂解機(jī)理的影響。

研究結(jié)果（部分）

▲激光功率P-掃描速度v-光束直徑?；紅色標(biāo)記表示導(dǎo)致縱向裂紋的參數(shù)組合。

來(lái)源：sciencedirect.com

上圖為這項(xiàng)研究中所使用的參數(shù)集，參數(shù)集覆蓋的線性能量輸入P / v在0.6 < P / v<6 J / mm之間。如圖中紅色標(biāo)記所示，對(duì)于高激光功率，沿軌道中心線出現(xiàn)縱向裂縫。

l 熔池行為

▲（a）P  = 300 W，v  = 300 mm / s，?  = 100 μm，（b）P  = 450 W，v  = 100 mm / s，?  = 100 μm ，熔池頂部表面和橫截面。裂紋網(wǎng)絡(luò)隨熔池大小而縮放，在（a）中淺，但在（b）中深，導(dǎo)致裂紋深入地滲透到基底中，如右圖所示。黑色箭頭表示橫向裂紋。

來(lái)源：sciencedirect.com

上圖顯示了在這項(xiàng)工作中遇到的兩個(gè)代表性熔池幾何形狀。與316 L或AlSi10Mg之類(lèi)的金屬合金相反，鎢在通過(guò)粉末床激光熔化3D打印時(shí)沒(méi)有明確定義的熔池邊界。相反，外延生長(zhǎng)和平面凝固前沿可確?；奈⒂^結(jié)構(gòu)和凝固結(jié)構(gòu)之間存在無(wú)縫過(guò)渡，就像其他純金屬Ta 或凝固范圍較小的Ti6Al4V 合金一樣。

在這項(xiàng)工作中，基體微觀結(jié)構(gòu)由垂直于掃描道表面的細(xì)長(zhǎng)晶粒組成，類(lèi)似于鎢增材制造過(guò)程中沿構(gòu)建方向發(fā)展的細(xì)長(zhǎng)晶粒。在這項(xiàng)工作中，基體微觀結(jié)構(gòu)和單一掃描軌跡代表了增材制造期間形成的微觀結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)入基材的裂紋路徑類(lèi)似于先前遇到的垂直裂紋。

開(kāi)裂行為

▲掃描軌跡的共焦圖像（v = 300 mm / s，P = 400 W，?= 100 μm），指示軌跡周?chē)鹆鸭y的區(qū)域。

來(lái)源：sciencedirect.com

上圖所示的掃描軌跡周?chē)牧鸭y網(wǎng)絡(luò)代表了大多數(shù)參數(shù)集的裂紋模式。裂紋在掃描矢量上大體上是橫向的，但仍然附著在晶界上，在大約是熔體寬度的3-4倍的區(qū)域內(nèi)被分支裂紋網(wǎng)絡(luò)包圍。

▲高速視頻1

來(lái)源：sciencedirect.com

▲高速視頻2

來(lái)源：sciencedirect.com

裂紋溫度

▲掃描軌跡的Diablo熱模型俯視圖，并用箱形圖表示出現(xiàn)裂紋的溫度范圍。

來(lái)源：sciencedirect.com

上圖顯示了由激光器以v = 100 mm / s，P = 450 W和? = 100 μm左右移動(dòng)的激光所產(chǎn)生的熱場(chǎng)，其中激光器位于x = 0.9毫米。模擬的熔池與實(shí)驗(yàn)一致，是一個(gè)接近完美的圓，并且由于鎢的高導(dǎo)熱性，即使在較高的速度下，長(zhǎng)寬比也很小。凝固前沿的縱向熱梯度超過(guò)3×10-7 K/m，而冷卻速率接近5×10-6 K/s。

結(jié)論

根據(jù)LLNL 實(shí)驗(yàn)室對(duì)于這項(xiàng)研究結(jié)果的總結(jié)，通過(guò)使用 Diablo有限元代碼進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)觀察和計(jì)算模型，研究人員發(fā)現(xiàn)溫度在450至650開(kāi)爾文之間時(shí)鎢產(chǎn)生微裂紋，并且取決于應(yīng)變率，而應(yīng)變率直接受工藝參數(shù)的影響。他們還能夠?qū)⒘鸭y影響區(qū)域的大小和裂紋網(wǎng)絡(luò)形態(tài)與局部殘余應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。掃描軌跡周?chē)芰鸭y影響的區(qū)域大小由最大馮·米塞斯應(yīng)力確定，而裂紋網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)則取決于主應(yīng)力的局部方向。LLNL研究團(tuán)隊(duì)正在使用結(jié)果評(píng)估工藝和合金改性等緩解裂紋的方式，這些發(fā)現(xiàn)以及為該研究開(kāi)發(fā)的診斷方法對(duì)于LLNL 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)3D打印無(wú)裂紋鎢零件的最終目標(biāo)至關(guān)重要。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，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是鎢增材制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。在新冠狀病毒疫情爆發(fā)以來(lái)，醫(yī)學(xué)影像CT設(shè)備的需求量增長(zhǎng)，也帶動(dòng)了影像設(shè)備廠商對(duì)于3D打印鎢金屬防散射濾線柵的需求。

▲來(lái)源：Dunlee

飛利浦旗下影像設(shè)備零部件制造商Dunlee 在今年增加了醫(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，從而支持新冠狀病毒（COVID-19）流行期間的CT 檢查需求。Dunlee與3D打印合作伙伴 EOS 公司合作增加新的打印設(shè)備，并對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行微調(diào)以增加產(chǎn)量。Dunlee 采用的制造材料為純鎢, 并使用了創(chuàng)新的粉末床激光增材制造工藝。

▲鉑力特打印100%純鎢材料光柵

來(lái)源：鉑力特

目前，金屬3D打印企業(yè)鉑力特已向客戶交付了4臺(tái)用于純鎢3D打印的定制參數(shù)設(shè)備。2016年成功打印出鎢光柵之后，鉑力特通過(guò)反復(fù)調(diào)整、驗(yàn)證其選區(qū)激光熔化3D打印設(shè)備BLT-S210的工藝參數(shù)，協(xié)助用戶研制出薄壁的最小成形尺寸為100 μm，遮光度近100%的純鎢光柵，并幫助用戶順利投入生產(chǎn)使用。

盡管仍充滿挑戰(zhàn)，但基于粉末床激光熔化3D打印工藝所開(kāi)展的鎢增材制造應(yīng)用已在商業(yè)化的路上。

參考資料：

BeyVrancken et.al. Analysis of laser-induced microcracking in tungsten under additive manufacturing conditions: Experiment and simulation.Acta Materialia，Volume 194.

本文轉(zhuǎn)自3D科學(xué)谷