勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已經確定了增材製造過程中在鎢中觀察到微裂紋的原因。通過將模擬與(yu) 高速視頻相結合，研究人員能夠實時觀察3D打印過程中鎢的延性-脆性轉變（DBT）。利用他們(men) 的監視技術，團隊將諸如殘餘(yu) 應力，應變率和溫度之類的變量確定為(wei) 開裂的原因。科學家的發現可以作為(wei) 3D打印其他無裂紋金屬零件的基礎，並在國防和能源行業(ye) 具有潛在的應用。

該團隊的首席研究員Manyalibo“ Ibo” Matthews說：“由於(yu) 其獨特的性能，鎢在能源部和國防部的特定任務應用中發揮了重要作用。這項工作有助於(yu) 為(wei) 鎢的新增材製造加工領域鋪平道路，這可能會(hui) 對這些任務產(chan) 生重大影響。”

鎢的微裂紋傾(qing) 向

鎢是一種金屬3D打印材料，其特征在於(yu) 適度的熱膨脹，高熔點和高導熱率。該合金的熱機械性能以及高密度和低濺射侵蝕率使其非常適合極端環境中的應用。盡管鎢具有良好的特性，但由於(yu) 缺乏耐熱衝(chong) 擊性和低溫脆性，其廣泛采用受到了限製。DBT過渡對於(yu) 確定打印材料較低的熱工作範圍的極限至關(guan) 重要。當金屬暴露於(yu) 高溫（例如3D打印中發生的高溫）之後冷卻時，不可避免地會(hui) 遇到DBT。較低的溫度會(hui) 導致延展性急劇下降，從(cong) 而導致殘餘(yu) 應力和微裂紋。

在激光粉末床熔合（LPBF）印刷過程中，材料的持續快速加熱也會(hui) 導致較高的殘餘(yu) 應力，從(cong) 而在最終產(chan) 品中產(chan) 生變形。盡管可以理解DBT會(hui) 在LPBF 3D打印的鎢中引起微裂紋，但是發生這種現象的確切原因仍然是個(ge) 謎。先前的研究人員曾嚐試在鎢中添加納米ZrC粉末，但結果參差不齊。

魯汶大學的科學家在2018年發現添加ZrC沒什麽(me) 區別，而清華大學的研究發現殘餘(yu) 應力降低了80％。為(wei) 了找到導致微裂紋原因的最終答案，LLNL團隊開發了一種現場監測LPBF打印的方法，以更詳細地研究DBT過渡。

LLNL小組的現場觀察方法

為(wei) 了全麵評估開裂與(yu) 溫度引起的應力之間的關(guan) 係，LLNL科學家采用了Photron SA-X2高速相機。該設備聚焦在軌道的中心，激光掃描整個(ge) 圖像。利用Navitar Zoom 6000係統，沿著鎢片匯總掃描了2mm長的單條軌跡。然後使用高斯光束直徑分別為(wei) 50 µm和100 µm來研究光束光斑尺寸對工藝的影響，每個(ge) 參數重複20次。研究人員使用LLNL的Diablo Lagrangian元素代碼軟件，隨後對鎢基底上的走線進行了熱和熱機械模擬。

即使使用半對稱來減小模擬的大小，每個(ge) 模擬都使用了大約一百萬(wan) 個(ge) 元素，每個(ge) 計算時間大約為(wei) 1，000 cpu-hour。測試結果表明，熔池通過後延遲了一段時間，開始出現裂紋。在出現縱向裂縫之前，將激光功率從(cong) 250 µm增加到600 µm，這也導致了它們(men) 之間的間距更大。

結果，研究小組得出結論，縱向裂紋部分緩解了合金的殘餘(yu) 應力，並導致沿零件的橫向斷裂更少。模擬還顯示，熔池深的形狀通常會(hui) 導致凝固池中間形成垂直取向的細晶粒，從(cong) 而容易產(chan) 生裂紋。為(wei) 了解決(jue) DBT所涉及的殘餘(yu) 應力，該團隊發現需要一種將優(you) 化的機器參數與(yu) 材料組成相結合的通用策略。可以預見並控製鑄腔室內(nei) 的氧氣含量對降低應變速率很重要，合金中雜質的濃度也很重要。

中國3D打印網點評：LLNL團隊認為(wei) ，他們(men) 的發現是朝著在極端環境中應用3D打印無裂紋鎢零件的目標邁出的堅實的第一步。 我以為(wei) 鎢的開裂會(hui) 有所延遲，但結果大大超出了我的預期。熱力學模型為(wei) 我們(men) 所有的實驗觀察提供了解釋，並且兩(liang) 者都足夠詳細，足以捕獲DBT的應變率依賴性。使用這種方法，我們(men) 擁有一個(ge) 出色的工具，可以確定消除鎢的LPBF期間開裂的最有效策略。”

3D打印行業(ye) 中的鎢

近年來，研究人員和公司都將鎢廣泛用於(yu) 各種用途。活頁夾噴射3D打印機供應商ExOne已與(yu) Global Tungsten＆Powders Corp建立了合作關(guan) 係，以促進鎢粉在活頁夾噴射製造中的使用。雙方的合作有望優(you) 化合金材料，以生產(chan) 切削工具，耐磨零件以及高電導率和熱導率應用。

癌症研究所（ICR）和皇家馬斯登醫院的科學家在伽瑪相機中使用了3D打印的鎢片，以進行更高分辨率的醫學成像。成像技術捕獲了注入癌症患者的藥物發出的輻射的痕跡。

匹茲(zi) 堡大學和合成金屬的生產(chan) 商通用碳化物獲得了57，529美元的贈款，用於(yu) 研究碳化鎢在3D打印中的用途。這項聯合研究安排使通用硬質合金公司可以分擔擴展其產(chan) 品組合的成本，同時開發更複雜和通用的零件。