超700萬元用于3D打印核反應鎢部件研究，附研究進展

3D打印技術參考于近日注意到，美國愛荷華州立大學機械工程系助理教授Sougata Roy新獲得由美國能源部（DoE）提供的為期四年、總金額高達100萬美元的研究資助，探索3D打印鎢材料在核反應堆防護罩和其他組件制造方面的潛力。

核能鎢部件3D打印研發項目介紹

這項資金將用于支持“DREAM-TEAM”項目——“為極端應用和管理工作開發強大的鎢增材制造生態系統（Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management）。Roy教授表示：“在先進制造領域，增材制造技術的應用能夠產生深遠的影響。核能是美國*大的清潔能源來源，這種無排放的電力對于未來的可持續發展至關重要。”

美國能源信息署的數據顯示，美國約有19%的電力供應來自核能，而風力發電則貢獻了大約10%。該項目團隊包括還北達科他大學的機械工程助理教授Yachao Wang（華裔），以及來自美國能源部三個國家實驗室：艾姆斯國家實驗室（位于愛荷華州立大學）、阿貢國家實驗室以及橡樹嶺國家實驗室。

這筆資助是美國能源部“建立計劃以刺激競爭性研究”（EPSCoR）項目的一部分，該項目總投資達3600萬美元，旨在提升全國能源相關研究能力和專業知識。研究團隊將專注于鎢材料，因其在高溫下保持強度、具有高熔點、能抵抗高能中子輻照下的侵蝕，并且能保持低水平的放射性氚，使其成為聚變反應堆內壁的理想材料。

然而，由于鎢材料的硬度和脆性，傳統制造工藝難以加工。研究團隊計劃采用激光粉末定向能量沉積，通過在控制氧氣的條件下使用激光處理鎢粉末，逐層打印金屬。根據使用背景，3D打印技術參考認為這項研究更可能是制造較大尺寸的塊體鎢部件，而非一直被看到的鎢格柵。

Roy教授在3D打印核能應用的鋼基合金方面擁有豐富經驗，他表示，該項目將使他能夠購置新的儀器，用于表征打印樣品的機械性能（包括儀器壓痕特性和斷裂韌性）。

3D打印技術參考于此前介紹過，鎢的激光打印雖然可以通過合金化和工藝優化來改善，但這兩種方法目前的成功均都有限。對于高比重鎢合金，由于成分多樣，性能差異大，熔點*高相差2400℃，各元素的飽和蒸氣壓不同。天津大學和中南大學的研究人員也指出，采用LPBF技術難以保證鎢合金中各成分的可控性，制造具有優異機械性能全密度鎢合金同樣困難。

Roy教授指出，該項目的獨特之處不僅在于3D打印技術本身，更在于基于物理的建模和計算模擬，這些模擬將與實驗工作相結合。建模和模擬工作將涉及機器學習和人工智能工具，幫助研究人員建立實驗結果背后的理論基礎，并開發出能夠承受核反應堆極端環境的鎢合金配方。Roy教授表示將從純鎢開始，*終目標是開發出新的合金配方，解決裂紋問題。

已揭示3D打印鎢易形成裂紋的原因

此前，3D打印技術參考介紹了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員已經確定了鎢3D打印出現微裂紋的原因。

通過將模擬與高速視頻相結合，研究人員能夠實時可視化鎢3D打印過程中的韌性到脆性轉變(DBT)，該轉變是確定打印材料較低熱工作范圍極限的關鍵。當金屬在暴露于高溫后冷卻時，不可避免地會遇到這一轉變（3D打印的一半規律）。較低的溫度會導致延展性急劇下降，從而導致殘余應力和微裂紋。

在激光粉末床熔融 (LPBF) 打印過程中，材料的快速持續加熱也會導致高殘余應力，從而導致*終產品變形。雖然研究人員知道DBT會導致采用LPBF技術3D打印鎢時出現微裂紋，但發生這種情況的確切原因仍然是個謎。

LLNL的研究人員利用監測技術，確定了殘余應力、應變率和溫度等變量是開裂的原因。研究小組得出結論，縱向裂紋部分緩解了合金的殘余應力，并減少了部件上的橫向斷裂。模擬還顯示，較深的熔池形狀通常會導致在中間形成薄的垂直取向晶粒，這很容易導致裂紋的發生。

為了解決DBT過程中產生的殘余應力，該團隊發現需要一種通用策略，將優化的機器參數與材料組成相結合。預熱和控制構建室內的氧氣水平被認為是降低應變率的重要因素，合金中雜質的濃度也很重要。?總體而言，LLNL團隊認為他們的研究成果是朝著實現3D打印無裂紋鎢部件（用于極端環境）的目標邁出的堅實一步。

3D打印“世界首創”復雜無缺陷鎢部件

3D打印技術參考注意到美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）于2024年5月發布了一則消息，該機構已經利用電子束3D打印技術制造出了首批復雜、無缺陷且具有復雜幾何形狀的鎢部件。經測試，這些鎢部件能夠承受極端溫度。

為了解決純鎢在室溫下易碎的問題，ORNL研究人員開發了一種電子束3D打印機，可將鎢逐層沉積成*的三維形狀。該技術使用高真空磁導向粒子流將金屬粉末熔化為固體金屬，真空環境可減少異物污染和殘余應力形成。ORNL Michael Kirka教授表示：“電子束增材制造有望用于加工復雜的鎢幾何形狀。這是擴大耐高溫金屬在能源資源中的應用的重要一步，將為可持續、無碳的未來提供支持。”

除此之外，3D打印技術參考還注意到，吳鑫華院士領導的倍豐研發部門于2023年成功在SP261設備上制造出整體尺寸為245x25x15mm的防散射柵格件，其壁厚*小達到0.1mm，成形精度控制在0.03mm以內，致密度高達99%。同時純鎢打印件的100%透光率，保證了鎢柵格在醫療實際應用中的CT探測器性能要求。倍豐技術團隊為打印這類極限壁厚的零件專門在自主開發的軟件中加入全新功能，該功能可以根據零件壁厚分配不同激光路徑，打破了傳統的激光路徑分配方案，克服在打印薄壁處能量高、易變性的技術難點。這也為打印0.1mm壁厚甚至更薄工件提供可能。

除了激光或電子束3D打印，國內升華三維開發的基于3D打印+粉末冶金的復合鎢合金成型工藝（PEP），在解決開裂方面具有優勢。該公司推出的兩款獨立雙噴嘴3D打印機為穩定制備大尺寸鎢合金等難熔金屬復雜結構件提供支撐，通過PEP打印-脫脂-燒結制備的鎢合金相對密度可達99.6%。燒結后的鎢合金構件，能達到或超過傳統工藝制備性能指標。

市場采用不斷增長

鎢的3D打印應用一直備受關注，各種工藝類型均有不同特色。3D打印純鎢/鎢合金零件在各種應用中的采用率正在顯著上升。

在航空航天領域，由于推進系統和衛星技術的進步，對高強度、耐熱鎢部件的需求持續增長。

醫療應用側重于鎢的生物相容性和密度，這對于輻射屏蔽和植入式設備至關重要。

由于鎢的耐用性，國防部門將3D打印鎢零件用于彈藥和電子屏蔽。

汽車應用領域正在不斷擴大，鎢被用在渦輪增壓器和傳動系統等發動機部件中，來提高性能和效率。

除了這些主要領域之外，其他應用還包括電子產品，其中鎢的導電性和耐熱性在電路和半導體生產中得到充分利用。

增材制造技術的不斷進步推動了市場的增長，使復雜的幾何形狀和*的材料特性能夠根據特定應用需求量身定制。