电子束3D打印钨的里程碑

近日，一则来自（ORNL）的消息在增材制造界引起了不小的轰动。

该实验室的研究人员宣布，他们采用电子束粉末床熔融（EB-PBF）增材制造技术，成功打印出了首批具有复杂几何形状且无缺陷的钨制零部件。

这一突破性进展无疑将为清洁能源技术，如核聚变反应堆的发展注入新的活力。

AM易道将试图通过此文章，为钨3D打印提供一些初级指南。

电子束3D打印钨的里程碑

AM易道认为，对于ORNL来说，此次的研究成果可谓是一个里程碑。因为过去3D打印钨一般都是通过激光PBF或者是Binder Jetting生产钨的。

这个案例是美国比较少见的公开的可应用于核能领域的电子束打印钨结构案例。

但，其声称的无缺陷钨打印，尚未明确何谓「无缺陷」，也没有尺寸、致密度、X射线检测结果等具体信息。但从结构来看，是可用于聚变领域的设计。

众所周知，钨是熔点最高的金属之一，高达3422°C，即使在极高温下也能保持强度和硬度。

但钨在室温下性脆而易碎，想要将其制成形状复杂的精密零件一直是个难题。

ORNL的Michael Kirka博士表示：「电子束增材制造为钨复杂几何结构的加工提供了可能。这对于拓展高温金属在能源领域的应用是重要的一步，将助力可持续、零碳的未来。」

ORNL的成果

ORNL的研究人员攻克了3D打印钨的难题，他们自主研发的EB-PBF 3D打印机，能在高真空环境下将钨粉逐层熔融沉积，制造出无杂质、无残余应力的钨制品。

这套系统采用磁场引导的粒子束流，在真空腔体内将金属粉末熔化并结合成致密实体。真空环境可最大限度地减少杂质污染和残余应力的产生。

常见的3D打印钨材料、特性与应用

目前，纯钨、碳化钨、钨铜合金等多种钨基材料可用于3D打印。它们在密度、硬度、脆性、耐高温等性能上各有特点：

钨3D打印工艺与规格

3D打印钨零件设计、后处理与安装的要点

设计3D打印钨零件时，要尽量避免悬垂结构、尖锐拐角，确保至少0.8mm的壁厚，并考虑预留0.5-1mm的后处理余量。

打印的 3D 钨组件通常需要后处理以改善表面光洁度并实现最终尺寸精度。常见的后处理步骤包括：

• 支撑去除 – 溶解或小心去除任何支撑结构。这可以使用化学浴、水射流或手动工具。

• 表面加工 – 车削、铣削和钻孔等传统加工可提高精度和表面光洁度。使用刚性装置和足够的润滑剂。

• 研磨 —手动和自动研磨均可使表面光滑。碳化硅或金刚石磨料最适合钨的硬度。

• 研磨和抛光 - 实现精确的平整度和埃级的表面光洁度。还可以去除边缘毛刺。

• 热处理 – 退火可缓解应力并提高延展性。热等静压可进一步致密内部空隙。

• 连接 —使用焊接、钎焊、压配合、粘合剂和其他方法添加螺纹、紧固件或其他组件。

• 涂层 —应用电镀等功能涂层来防腐、绝缘、导电等。

安装3D打印钨构件时要小心轻放，采用合适的紧固和定位方式。要考虑热膨胀、咬合间隙、润滑、密封等因素，并采取预热和冷却控制措施，以防热冲击开裂。

3D打印钨的应用前景

3D打印钨在商业应用中大有可为：

• 在医疗和核工业领域，钨可用来屏蔽γ射线、X射线、中子等有害辐射；

• 在核聚变反应堆等超高温环境下，3D打印的钨零部件、夹具、模具、电极可承受上千摄氏度的考验；

• 在电气行业，3D打印的钨铜触点耐电弧、耐磨损；

• 在机械传动系统中，3D打印钨合金配重件可起到高密度平衡和减振作用；

• 在航空航天领域，3D打印钨材料可用于喷嘴、防热罩等关键部件；

• 在重型机床领域，3D打印的碳化钨刀具硬度极高，可切削磨损各种难加工材料。

结语：展望3D打印钨的未来

AM易道认为，ORNL在3D打印钨领域的最新突破，为钨登上更大的增材制造舞台铺平了道路。

这项技术的发展壮大，在医疗、核电、航空航天领域都有着明确的应用。

按ORNL自己的说法，钨3D打印将推动未来核聚变的实现，助力可持续的清洁能源事业。

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