德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院KIT 研究人員近日通過(guò)電子束熔化打印在高溫下使用的鎢組件獲得了進(jìn)展。
鎢的熔點(diǎn)是所有金屬元素中最高的，為 3,422 攝氏度。密度(19.3 g/cm3)很高，鎢的硬度也很高，如碳化鎢的硬度則與金剛石接近。此外，鎢還具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，較小的膨脹系數(shù)等特性，因而被廣泛應(yīng)用到合金、電子、化工等領(lǐng)域，其中硬質(zhì)合金是鎢最大的消費(fèi)領(lǐng)域。
鎢金屬是典型的難熔金屬，難成形材料，也難以通過(guò)金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行加工。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，目前少量企業(yè)通過(guò)基于粉末床工藝的電子束熔化（EBM）和選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)在探索純鎢以及鎢合金的制造，這兩種技術(shù)均為直接金屬3D打印技術(shù)。
小荷才露尖尖角
鎢材料非常適合在高溫下使用，例如太空火箭噴嘴、高溫爐的加熱元件或聚變反應(yīng)堆。然而，鎢金屬非常脆，因此難以加工。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，KIT的研究人員開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新方法來(lái)使這種脆性材料變軟。為了加工鎢，他們確定了新的電子束熔化工藝參數(shù)。
鎢金屬在室溫下非常脆。由于其特性，鎢很難使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行加工。處理既昂貴又耗時(shí)。在亥姆霍茲協(xié)會(huì)和 EUROfusion、歐洲聚變計(jì)劃的研究計(jì)劃的支持下，通過(guò)電子束熔化（簡(jiǎn)稱(chēng) EBM）來(lái)增材制造鎢組件，KIT 應(yīng)用材料研究所 – 材料科學(xué)與工程 (IAM-WK) 成功地將 EBM 工藝應(yīng)用于鎢，開(kāi)發(fā)出特定的工藝參數(shù)。
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對(duì)抗裂紋
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，鎢組件的 3D 打印現(xiàn)在成為可能。鎢金屬可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，由于其特殊的性能，非常適合能源和光技術(shù)、航空航天工業(yè)和醫(yī)療工程中的高溫應(yīng)用。在現(xiàn)代高科技工業(yè)中不可或缺。
EBM增材制造方法在真空下加速的電子選擇性地熔化金屬粉末，并以這種方式以增材方式生成 3D 組件，即逐層生成。這種方法的一大優(yōu)勢(shì)在于所使用的能源，即電子束。可以在熔化前預(yù)熱金屬粉末和承載板，從而減少變形和內(nèi)應(yīng)力。可加工常溫下易斷裂、高溫下易變形的材料。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，一方面通過(guò)EBM增材制造鎢合金是一種有效的方法，另一方面LPBF基于粉末床的激光增材制造技術(shù)，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(guān)察鎢金屬的韌性到脆性轉(zhuǎn)變（DBT），觀(guān)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。
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