鎢的熔點高達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)造復雜的幾何形狀，對于鎢材料加工來說是個不錯的選擇，利用這一技術可以開辟鎢的新應用。但是鎢固有的脆性以及增材制造時發(fā)生的微裂紋會損害結構的完整性，阻礙了鎢金屬3D打印的廣泛應用。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家開展了一項表征鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究，他們將熱機械仿真與在粉末床激光熔化金屬3D打印過程中拍攝的高速視頻相結合，首次能夠實時觀察鎢金屬的韌性到脆性轉變（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)和擴散。研究團隊能夠將微裂紋現(xiàn)象與殘余應力，應變速率和溫度等變量相關聯(lián)，并確認是由DBT 引起裂紋。

為無裂紋增材制奠定基礎

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

論文談到，韌性到脆性轉變溫度(DBTT)決定了實際工作范圍的溫度下限。在較高溫度下相對容易移動的螺型位錯會在低溫下變得無法移動，從而導致較低溫度下塑性的突然急劇降低。韌脆轉變(DBT)發(fā)生在室溫(473-673開爾文（K）以上)并且在高溫處理冷卻下來時不可避免地會發(fā)生，此時，加工引起的殘余應力會導致微裂紋。

韌性到脆性轉變溫度很大程度上取決于間隙雜質含量。當氧雜質含量從10 ppm小幅增加到50 ppm時，則該轉變溫度從623K增加到823K。在粉末床激光熔化3D打印工藝中，快速且重復的局部加熱、固化和冷卻循環(huán)會產(chǎn)生高殘余應力，從而導致變形、開裂，并影響零件機械性能。在一些關于鎢增材制造研究中，已有大于98%高密度的報道，但是沒有一個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，通過在原始鎢粉中添加納米級ZrC粉末來減少裂紋，導致晶粒尺寸減小了50％。在通過工藝參數(shù)調(diào)整來減少裂紋的方式中，主要方式是將打印基板預熱，當預熱至673K時未帶來明顯改善，預熱至1273K 時觀察到裂紋減少。

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

研究結果（部分）

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

來源：sciencedirect.com

上圖為這項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。如圖中紅色標記所示，對于高激光功率，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)絡隨熔池大小而縮放，在（a）中淺，但在（b）中深，導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。

來源：sciencedirect.com

上圖顯示了在這項工作中遇到的兩個代表性熔池幾何形狀。與316 L或AlSi10Mg之類的金屬合金相反，鎢在通過粉末床激光熔化3D打印時沒有明確定義的熔池邊界。相反，外延生長和平面凝固前沿可確?；奈⒂^結構和凝固結構之間存在無縫過渡，就像其他純金屬Ta 或凝固范圍較小的Ti6Al4V 合金一樣。

在這項工作中，基體微觀結構由垂直于掃描道表面的細長晶粒組成，類似于鎢增材制造過程中沿構建方向發(fā)展的細長晶粒。在這項工作中，基體微觀結構和單一掃描軌跡代表了增材制造期間形成的微觀結構，并且進入基材的裂紋路徑類似于先前遇到的垂直裂紋。

開裂行為

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

來源：sciencedirect.com

上圖所示的掃描軌跡周圍的裂紋網(wǎng)絡代表了大多數(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)絡包圍。

▲高速視頻1

來源：sciencedirect.com

▲高速視頻2

來源：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左右移動的激光所產(chǎn)生的熱場，其中激光器位于x = 0.9毫米。模擬的熔池與實驗一致，是一個接近完美的圓，并且由于鎢的高導熱性，即使在較高的速度下，長寬比也很小。凝固前沿的縱向熱梯度超過3×10-7 K/m，而冷卻速率接近5×10-6 K/s。

結論

根據(jù)LLNL 實驗室對于這項研究結果的總結，通過使用 Diablo有限元代碼進行的實驗觀察和計算模型，研究人員發(fā)現(xiàn)溫度在450至650開爾文之間時鎢產(chǎn)生微裂紋，并且取決于應變率，而應變率直接受工藝參數(shù)的影響。他們還能夠將裂紋影響區(qū)域的大小和裂紋網(wǎng)絡形態(tài)與局部殘余應力相關聯(lián)。掃描軌跡周圍受裂紋影響的區(qū)域大小由最大馮·米塞斯應力確定，而裂紋網(wǎng)絡的形態(tài)則取決于主應力的局部方向。LLNL研究團隊正在使用結果評估工藝和合金改性等緩解裂紋的方式，這些發(fā)現(xiàn)以及為該研究開發(fā)的診斷方法對于LLNL 團隊實現(xiàn)3D打印無裂紋鎢零件的最終目標至關重要。

根據(jù)3D科學谷的市場觀察，醫(yī)學影像設備CT 所需的3D打印鎢金屬防散射濾線柵是鎢增材制造領域的典型應用。在新冠狀病毒疫情爆發(fā)以來，醫(yī)學影像CT設備的需求量增長，也帶動了影像設備廠商對于3D打印鎢金屬防散射濾線柵的需求。

▲來源：Dunlee

飛利浦旗下影像設備零部件制造商Dunlee 在今年增加了醫(yī)學影像設備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備，并對現(xiàn)有設備進行微調(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臺用于純鎢3D打印的定制參數(shù)設備。2016年成功打印出鎢光柵之后，鉑力特通過反復調(diào)整、驗證其選區(qū)激光熔化3D打印設備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打印工藝所開展的鎢增材制造應用已在商業(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.

本文轉自3D科學谷