3D打印鉬金屬和鉬基合金

鉬金屬因其在高溫下的強度而成為許多行業(yè)不可缺少的材料，有些應用需要復雜且不易加工的形狀，3D打印是解決復雜部件生產(chǎn)問題的一種方法。但是，當用鉬金屬生產(chǎn)此類零件時，往往會出現(xiàn)缺陷。采用碳化鈦對鉬金屬進行合金化的新工藝，可能預示著一個轉(zhuǎn)折點。

打印范式轉(zhuǎn)變

高度專業(yè)化的工業(yè)部件越來越多地通過增材制造(AM)來生產(chǎn)，也被稱為3D打印。增材制造技術(shù)起源于20世紀80年代中期，用于加速產(chǎn)品原型的開發(fā)。該工藝的特點是在微觀層面將材料一層層融合在一起。“打印機”參考計算機三維模型，逐層生成一個精確的復制品。與傳統(tǒng)的銑削、切削、鉆孔和磨削的“減材”制造方法不同，成功的增材制造技術(shù)幾乎不產(chǎn)生任何浪費。使用增材制造技術(shù)來增加零件的復雜程度往往更具成本效益，因為可以在計算機上方便地修改設計方案。一些傳統(tǒng)制造難以甚至不可能實現(xiàn)的設計，如與零件外表面沒有連接的空心零件，可以通過3D打印來制造。

將鉬金屬3D打印成航空航天、國防和能源工業(yè)所需的復雜形狀，擁有這個能力可以提高熱效率，這最終意味著用更少的資源產(chǎn)生更多的電能。然而，挑戰(zhàn)在于3D打印的鉬金屬可能會損失機械性能和穩(wěn)定性，導致其無法使用。這是因為鉬金屬和鉬合金的3D打印在打印條件不適當?shù)那闆r下容易形成氣孔和裂紋等缺陷。但是，通過仔細控制3D打印過程，就可以用鉬金屬和鉬基合金(如碳化鈦鉬基合金)生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、高質(zhì)量無裂紋的零件。位于美國東南部的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學家正在與外部利益相關(guān)者合作，對鉬金屬和鉬基合金物件進行規(guī)模試驗。3D打印可以打印出其他方式無法制造的復雜形狀。

不再產(chǎn)生縫隙

這種制造工藝使用一種稱為“粉末床熔融”(PBF)的增材制造方法，將粉末狀的原料熔化變成固體。PBF需要激光或電子束來熔化和融合粉末狀的成分。研究人員使用了后一種方法，因為在打印過程中對溫度變化的控制更好。由于材料在加工過程中容易產(chǎn)生缺陷，鉬金屬的PBF尚未在工業(yè)規(guī)模上取得成功，但最近的研究結(jié)果表明這種情況會很快發(fā)生改變。

研究人員展示了打印高質(zhì)量鉬金屬的能力，它具有獨特的晶粒結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)的鉬金屬制造工藝無法實現(xiàn)的。PBF加工技術(shù)的進步使得鉬金屬能夠成功地被打印制成核熱推進系統(tǒng)所用的結(jié)構(gòu)部件。

除了鉬金屬外，研究人員還成功打印出基體鉬-碳化鈦復合材料。在材料科學術(shù)語中，它們叫做金屬陶瓷。為了制造金屬陶瓷，研究人員對60%鉬粉和40%碳化鈦的原料粉末進行了機械合金化，并進行了印刷。打印之后，沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。這類材料的成功生產(chǎn)，對于要求材料在極端環(huán)境如超臨界二氧化碳條件下運行的能源系統(tǒng)，具有推動其進步的潛力。

其他研究團隊也取得了可喜結(jié)果。2019年，北京理工大學為航空航天工業(yè)的離子推進器開發(fā)了3D打印鉬金屬部件。該研究小組還將鉬金屬粉末與碳化鈦粉末結(jié)合，形成了穩(wěn)定、抗氧化的復合材料。這種復合方法似乎產(chǎn)生了積極的效果，不僅適用于純鉬金屬，也適用于其他含鉬合金。新加坡的一個研究團隊將二硼化鈦納米顆粒和含鉬鎳基合金INCONEL 625混合，也產(chǎn)生了較好的可打印性。這些進展進一步證明了未來大幅提高3D打印鉬金屬和含鉬合金部件的可行性。這些項目展示了鉬的獨特性能及其在全球脫碳化進程中日益增長的價值。

核反應堆等熱電廠效率的提高取決于更好材料的開發(fā)，特別是那些具有高溫強度的材料。鉬可以說是這項工作的最佳候選材料。能夠用3D將材料打印出工業(yè)所需的形狀的能力，會對少消耗多發(fā)電的目標產(chǎn)生重大影響。

(來源：IMOA鉬和含鉬材料的世界 2022-05-31)