隨著科技不斷發展，人們(men) 對增材製造純鎢的關(guan) 注日益增多，這主要是因為(wei) 未來聚變發電廠對鎢部件存在預期需求。鎢是一種性質獨特的金屬，在工業(ye) 領域有巨大的應用潛力，不過傳(chuan) 統製造方法在加工鎢時麵臨(lin) 許多困境，而增材製造技術的出現給純鎢加工帶來了新的機遇。

聚變反應堆 來源：2024 EPFL

鎢是一種源自瑞典和西班牙的元素。1781年，瑞典化學家卡爾・威廉・舍勒（Carl Wilhelm Scheele）發現鎢是白鎢礦的主要成分，後被確認為(wei) 鎢酸鈣（CaWO₄）。1783年，西班牙化學家兄弟 José和Fausto de Elhuyar發現了從(cong) 黑鎢礦中分離出純鎢金屬的還原工藝。

黑鎢礦 來源：lifechem

鎢作為(wei) 難熔金屬，為(wei) 何應用廣泛？

鎢屬於(yu) 難熔金屬，其熔點高達3422°C，位居所有元素之首，這賦予其極強的耐熱性；並且，鎢的熱膨脹率為(wei) 所有元素最低，其密度與(yu) 金相近，是鋁的七倍，這些特性讓鎢在高溫、高強度等特殊環境中有優(you) 異表現。

來源：sollex

就化學性能而言，鎢具有極為(wei) 出色的X射線屏蔽性能，甚至優(you) 於(yu) 鉛，且不存在環境問題和毒性。除此之外，鎢是熱與(yu) 電的優(you) 良導體(ti) ，無磁性，硬度較高，有著極佳的耐磨性與(yu) 耐腐蝕性。總體(ti) 來講，鎢呈現出獨特且出眾(zhong) 的金屬特性。

鑒於(yu) 上述優(you) 良特性，鎢及其合金在諸多領域被廣泛應用。鎢在耐熱金屬部件、醫用X射線屏蔽設備、X射線源、火箭發動機部件、熔爐加熱元件、彈藥與(yu) 穿甲彈、車輛和飛機的配重/壓艙物、珠寶以及焊接電極等方麵均發揮著重要作用。在工業(ye) 領域，鎢更是碳化鎢工具以及其他金屬加工應用中不可或缺的成分。

傳(chuan) 統製造鎢金屬的困境

下圖展示了使用鎢礦石或鎢金屬廢料作為(wei) 原材料的線材、棒材和板材生產(chan) 的傳(chuan) 統路線以及較新的AM路線。對於(yu) 鎢而言，傳(chuan) 統的熱熔技術（例如鑄造）幾乎不可能生產(chan) 塊狀鎢金屬，這是因為(wei) ，在現有材料中，沒有足夠耐熱的固體(ti) 材料可以安全且惰性地包裹熔融的鎢，使得通過這種常規方式加工鎢變得極為(wei) 困難。

來源：Freemelt

目前，鎢主要通過粉末冶金方法和非熔融加工（如軋製或鍛造）來固結。然而，傳(chuan) 統粉末冶金法製造的鎢存在諸多缺陷，甚至一度阻礙其在工業(ye) 層麵的廣泛應用。一方麵，粉末冶金鎢通常含有大量殘餘(yu) 孔隙；另一方麵，材料在室溫下易碎，加工難度大。這種脆性不僅(jin) 與(yu) 鎢的防滑體(ti) 心立方晶體(ti) 結構有關(guan) ，還因為(wei) 非熔融粉末冶金製造過程中不可避免地會(hui) 留下氧和碳等雜質，這些雜質偏析到晶界，進一步加劇了材料的脆性。

不過，值得注意的是，當溫度升高到200 - 800°C時，鎢會(hui) 轉變為(wei) 易延展狀態，具體(ti) 的延展-脆性轉變溫度（DBTT）取決(jue) 於(yu) 其微觀結構、紋理和雜質水平。

增材製造純鎢的主流工藝

傳(chuan) 統製造鎢的方法，如鑄造因缺乏合適耐熱材料包裹熔融鎢而幾乎無法生產(chan) 塊狀鎢金屬，粉末冶金法製造的鎢又存在殘餘(yu) 孔隙多、材料易碎、室溫難加工等問題；而增材製造技術為(wei) 純鎢製造開辟了新路徑，有望解決(jue) 這些傳(chuan) 統製造方法無法解決(jue) 的難題。

一、激光粉末床熔融研究進展

激光粉末床熔融（PBF-LB）工藝在工業(ye) 鎢製造領域已有十餘(yu) 年的發展曆史。荷蘭(lan) 的Dunlee是該領域著名的製造工廠，自2012年起 ，Dunlee已開發出多項成功的鎢應用產(chan) 品，其中最具代表性的是用於(yu) 醫學成像的X射線CT係統的防散射網格，其純鎢壁厚僅(jin) 為(wei) 70 µm，這種精細的幾何形狀是傳(chuan) 統粉末冶金路線難以實現的。

PBF-LB製作的防散射網格 圖源：Dunlee

在PBF-LB研究方麵，已有大量研究探索鎢的可製造性。盡管PBF-LB能夠製造出上圖所示的亞(ya) 毫米薄壁鎢結構，然而要製造出更厚、更大型的致密材料卻頗具難度。由於(yu) PBF-LB參數是針對低體(ti) 積孔隙率進行優(you) 化的，所以PBF-LB鎢中會(hui) 產(chan) 生微裂紋，主要是因為(wei) 熔池冷卻到鎢的脆性溫度範圍（遠低於(yu) DBTT）時應力不斷積累。

如下圖示的案例展示了上述裂紋情況，PBF - LB構建平台被加熱到1000°C，即便構建溫度如此之高，部分裂紋依舊存在。此外，熱構建平台還引發了另一個(ge) 問題：熱鎢極易從(cong) PBF - LB設備的保護氣中吸收雜質，而鎢中的雜質會(hui) 進一步加劇其脆性。

微觀結構橫截麵 來源：謝菲爾德大學

因此，目前尚未有成熟的方法能夠利用PBF-LB製造出大型的致密、無裂紋的純鎢部件。

二、電子束粉末床熔融研究進展

相較於(yu) PBF-LB，電子束粉末床熔融（PBF-EB）具有一些獨特優(you) 勢，使其更適合用於(yu) 鎢加工。PBF-EB設備內(nei) 部的真空環境不僅(jin) 具有良好的隔熱功能，能夠使粉末床輕鬆保持在高溫狀態，從(cong) 而有效緩解應力，降低開裂風險；而且真空環境潔淨，有助於(yu) 保持鎢不含雜質。

1、英國謝菲爾德大學

英國謝菲爾德大學的Jonathan Wright是PBF-EB鎢研究的先驅者之一。在2015年，他將“PBF-EB工藝應用於(yu) 純鎢加工”作為(wei) 其博士研究項目。通過使用相同的等離子球化粉末（典型激光尺寸為(wei) 25 - 45 µm），對PBF-EB和PBF-LB進行了直接比較。結果顯示，PBF-EB成功生產(chan) 出了高密度且無裂紋的鎢，構建平台溫度保持在約1000°C；而PBF-LB雖然在最大光束功率400 W下也能製造出高密度樣品，但會(hui) 產(chan) 生裂紋。Wright的博士論文還首次展示了更為(wei) 複雜的PBF-EB幾何形狀——一款精美的鎢晶格環麵。

鎢晶格環麵 來源：謝菲爾德大學

2、美國橡樹嶺國家實驗室

美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）對PBF - EB鎢的發展貢獻重大。ORNL是美國能源部最大的國家實驗室，一直研究未來可持續能源，PBF - EB材料是重點方向之一，近五年難熔金屬是主要研究對象。

ORNL對高達1800°C的粉末床溫度展開了探索，旨在找出鎢加工的最優(you) 條件。研究結果表明，隨著電子束熔化鎢粉，材料中的氧含量明顯降低，構建材料中的氧含量僅(jin) 有ppm級，這使得抵消鎢的脆性具備了可能性。另外，由ORNL製造的致密且無裂紋的PBF - EB鎢在高溫下有著良好的拉伸性能，與(yu) 退火和再結晶狀態下的高質量粉末冶金鎢不相上下。

2023年5月，ORNL製造的PBF-EB樣品在聖地亞(ya) 哥的DIII-D國家聚變設施中進行測試，該樣品在高熱和粒子流的混合環境中接受考驗，並與(yu) 傳(chuan) 統製造的高純度再結晶鎢進行對比。結果表明，PBF-EB鎢在熱機械響應和表麵損傷(shang) 方麵表現相當或更優(you) ，僅(jin) 出現了一些表麵粗糙、晶粒生長和裂紋萌生現象，但未出現剝落或材料彈出等失效模式。

來源：ORNL

ORNL還展示了其在與(yu) 聚變能相關(guan) 的測試幾何結構中的鎢加工能力，如製造出的六邊形瓦片幾何結構，這種結構可能應用於(yu) 托卡馬克聚變反應堆的偏轉器或內(nei) 壁，瓦片安裝在增材製造的棒上，棒內(nei) 設有通道用於(yu) 冷卻氣體(ti) 的流通。

來源：ORNL

3、德國卡爾斯魯厄理工學院

在EUROfusion聯盟框架下，歐洲也研究了PBF - EB鎢的等離子體(ti) 特性。德國卡爾斯魯厄理工學院帶領的團隊用PBF-EB製造鎢樣品，還將其與(yu) 新的銅冷卻結構組合。這些鎢樣品在模擬聚變反應堆條件的各種測試裏表現良好：在Jülich的JUDITH設施中，經熱衝(chong) 擊測試未出現宏觀故障；在Garching的GLADIS設施進行高熱通量暴露測試時，雖有近表麵晶粒生長現象，但整體(ti) 性能穩定。

來源：卡爾斯魯厄理工學院

目前該團隊正籌備新測試活動，其測試對象有優(you) 化的幾何形狀和改進的冷卻結構。研究顯示，PBF-EB製造的鎢密度可達99.8%，微觀結構為(wei) 柱狀且無裂紋，熱導率和熱擴散率與(yu) 軋製粉末冶金鎢參考材料相近，在600 - 1000°C的熱拉伸試驗中，伸長率達80%，延展性良好。

增材製造技術為(wei) 製造複雜的3D鎢部件開辟了新路徑，它不但有希望提升材料的化學純度與(yu) 密度，而且能夠消除傳(chuan) 統粉末冶金法製造鎢時存在的缺陷。在增材製造技術體(ti) 係裏，PBF-LB和PBF-EB各有利弊。PBF - LB在製造薄壁、對分辨率要求高且具有精細細節的鎢部件時具備優(you) 勢，不過在製造厚部件時，會(hui) 麵臨(lin) 微裂紋、孔隙率和生產(chan) 率低等問題；PBF - EB則在製造較厚的鎢部件上表現優(you) 異，能夠有效地解決(jue) 裂紋和雜質問題，在聚變反應堆的等離子麵磚等應用場景中有著廣闊的應用前景。（轉載自增材工業(ye) 作者：木易，素材來源：metal-am）