鎢金屬的3D打印工藝參數研究
在金屬3D打印領域，有一種尚未普遍實現增材制造應用的金屬材料是鎢。鎢（簡稱W）是一種稀有的高熔點金屬，它具有很高的耐腐蝕性，是電子、電光源、化學處理、航天以及武器行業的理想材料。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，也難以通過金屬3D打印技術進行增材制造。
在市場上已有公司實現了鎢金屬的3D打印，但是市場上有關3D打印工藝參數對鎢粉末材料的影響的研究仍然很少。為了探究工藝參數對鎢材料加工的影響，來自GTP（Global Tungsten Powder）和Incodema3D等公司的研究團隊進行了一項題為“直接金屬激光燒結/選區激光熔融鎢粉（Direct Metal Laser Sintering / Selective Laser Melting of Tungsten Powders）”的研究，目的是確定影響鎢粉致密化的關鍵工藝參數，這對于制造具有良好機械性能的復雜零件至關重要。研究團隊還對低表觀密度或低球形粉末作為選區激光熔融3D打印原材料的可行性進行了研究。
激光功率為影響鎢粉致密化的關鍵參數
研究人員使用兩種樣品進行比較，一種是低表觀密度粉末，一種是具有高球形度高表觀密度粉末。研究人員使用EOSINT M 280 3D打印機為每種粉末創建了16個立方體樣件，共計32個樣件。隨后使用掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀結構，并使用軟件進行統計分析。
200W激光功率時，平行（頂部）和垂直（底部）激光掃描方向的微結構，圖片來源：GTP。
最終，激光功率被確定為影響鎢粉致密化的關鍵參數。對于低表現密度和高表觀密度的鎢粉末樣品，激光功率對于最終密度變化的影響分別占92％和70％。
200W激光功率時，頂部和底部粉末激光掃描方向的SEM顯微照片，圖片來源：GTP。
“在激光功率為200 W和250 W時，與表觀密度較低的粉末相比，表觀密度高的鎢粉的致密化程度顯著提高，然而，在300 W的激光功率下，兩種鎢粉的致密化程度相似，在該研究中獲得了96％的最大相對密度。” 這表明，低表觀密度鎢粉可通過選區激光熔融技術進行3D打印。
鎢材料本身具有很多優良的特性，在眾多領域有著不可替代的作用，是一種戰略性資源，如果可以克服難加工的瓶頸，其發展前景不可小覷。由于增材制造能夠創造復雜的幾何形狀，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。同時，對于鎢材料3D打印工藝參數的研究也可應用于其他具有高熔點的材料，如鉬，鈮等，以開拓高硬度高熔點材料的加工與應用。
Review
鎢的熔點高達3410℃，是典型的難熔金屬，難成形材料。
飛利浦旗下的Smit Röntgen(現為 Dunlee )公司已通過金屬3D打印設備制造了一系列純鎢零件。在過去的10年內，Smit Röntgen逐步地投資3D打印技術，并成為世界上首家將純鎢用于批量3D打印的公司。
作為醫療成像元件制造商，Smit Röntgen通過選區激光熔融金屬3D打印技術制造針孔準直器等用于X射線設備的鎢零件。3D打印對于生成薄壁零件十分有效，這給準直孔徑角和形狀帶來極大地制造自由度。
國內企業中，西安鉑力特、華曙高科等少數企業也在開發鎢金屬材料的增材制造應用。其中，鉑力特已利用選區激光熔融3D打印設備開發出了鎢合金3D打印零件，零件整體采用薄壁結構，最小壁厚僅0.1mm。
以上提及的所有鎢金屬3D打印技術均是選區激光熔融技術，GE 正在基于電子束熔融3D打印技術開發鎢金屬3D打印材料。GE增材制造推出了一種高通量的電子束熔融增材制造系統-Arcam EBM Spectra H，這款設備用于處理高溫合金材料的加工，Spectra H能夠在超過1000°C的溫度下生產更大的零部件。Arcam EBM Spectra H針對產業化需求而生，材料方面目前可支持TiAl和718合金，并將從2019年開始適用于鎳基超合金的加工。當然，GE增材制造并不滿足于這些，GE的材料科學小組目前正在研究更寬范圍的高溫材料，包括鎳基高溫合金、鎢、鈷鉻合金、不銹鋼和金屬基復合材料。
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