隨著科技不斷發(fā)展，人們對增材制造純鎢的關(guān)注日益增多，這主要是因為未來聚變發(fā)電廠對鎢部件存在預期需求。鎢是一種性質(zhì)獨特的金屬，在工業(yè)領(lǐng)域有巨大的應用潛力，不過傳統(tǒng)制造方法在加工鎢時面臨許多困境，而增材制造技術(shù)的出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)鎢是白鎢礦的主要成分，后被確認為鎢酸鈣（CaWO?）。1783年，西班牙化學家兄弟 José和Fausto de Elhuyar發(fā)現(xiàn)了從黑鎢礦中分離出純鎢金屬的還原工藝。
黑鎢礦 來源：lifechem
鎢作為難熔金屬，為何應用廣泛？
鎢屬于難熔金屬，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；并且，鎢的熱膨脹率為所有元素最低，其密度與金相近，是鋁的七倍，這些特性讓鎢在高溫、高強度等特殊環(huán)境中有優(yōu)異表現(xiàn)。
來源：sollex
就化學性能而言，鎢具有極為出色的X射線屏蔽性能，甚至優(yōu)于鉛，且不存在環(huán)境問題和毒性。除此之外，鎢是熱與電的優(yōu)良導體，無磁性，硬度較高，有著極佳的耐磨性與耐腐蝕性。總體來講，鎢呈現(xiàn)出獨特且出眾的金屬特性。
鑒于上述優(yōu)良特性，鎢及其合金在諸多領(lǐng)域被廣泛應用。鎢在耐熱金屬部件、醫(yī)用X射線屏蔽設(shè)備、X射線源、火箭發(fā)動機部件、熔爐加熱元件、彈藥與穿甲彈、車輛和飛機的配重/壓艙物、珠寶以及焊接電極等方面均發(fā)揮著重要作用。在工業(yè)領(lǐng)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。
傳統(tǒng)制造鎢金屬的困境
下圖展示了使用鎢礦石或鎢金屬廢料作為原材料的線材、棒材和板材生產(chǎn)的傳統(tǒng)路線以及較新的AM路線。對于鎢而言，傳統(tǒng)的熱熔技術(shù)（例如鑄造）幾乎不可能生產(chǎn)塊狀鎢金屬，這是因為，在現(xiàn)有材料中，沒有足夠耐熱的固體材料可以安全且惰性地包裹熔融的鎢，使得通過這種常規(guī)方式加工鎢變得極為困難。
來源：Freemelt
目前，鎢主要通過粉末冶金方法和非熔融加工（如軋制或鍛造）來固結(jié)。然而，傳統(tǒng)粉末冶金法制造的鎢存在諸多缺陷，甚至一度阻礙其在工業(yè)層面的廣泛應用。一方面，粉末冶金鎢通常含有大量殘余孔隙；另一方面，材料在室溫下易碎，加工難度大。這種脆性不僅與鎢的防滑體心立方晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，還因為非熔融粉末冶金制造過程中不可避免地會留下氧和碳等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)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，鎢會轉(zhuǎn)變?yōu)橐籽诱範顟B(tài)，具體的延展-脆性轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）取決于其微觀結(jié)構(gòu)、紋理和雜質(zhì)水平。
增材制造純鎢的主流工藝
傳統(tǒng)制造鎢的方法，如鑄造因缺乏合適耐熱材料包裹熔融鎢而幾乎無法生產(chǎn)塊狀鎢金屬，粉末冶金法制造的鎢又存在殘余孔隙多、材料易碎、室溫難加工等問題；而增材制造技術(shù)為純鎢制造開辟了新路徑，有望解決這些傳統(tǒng)制造方法無法解決的難題。
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(yè)鎢制造領(lǐng)域已有十余年的發(fā)展歷史。荷蘭的Dunlee是該領(lǐng)域著名的制造工廠，自2012年起 ，Dunlee已開發(fā)出多項成功的鎢應用產(chǎn)品，其中最具代表性的是用于醫(yī)學成像的X射線CT系統(tǒng)的防散射網(wǎng)格，其純鎢壁厚僅為70 μm，這種精細的幾何形狀是傳統(tǒng)粉末冶金路線難以實現(xiàn)的。
PBF-LB制作的防散射網(wǎng)格 圖源：Dunlee
在PBF-LB研究方面，已有大量研究探索鎢的可制造性。盡管PBF-LB能夠制造出上圖所示的亞毫米薄壁鎢結(jié)構(gòu)，然而要制造出更厚、更大型的致密材料卻頗具難度。由于PBF-LB參數(shù)是針對低體積孔隙率進行優(yōu)化的，所以PBF-LB鎢中會產(chǎn)生微裂紋，主要是因為熔池冷卻到鎢的脆性溫度范圍（遠低于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(gòu)建平臺被加熱到1000°C，即便構(gòu)建溫度如此之高，部分裂紋依舊存在。此外，熱構(gòu)建平臺還引發(fā)了另一個問題：熱鎢極易從PBF - LB設(shè)備的保護氣中吸收雜質(zhì)，而鎢中的雜質(zhì)會進一步加劇其脆性。
微觀結(jié)構(gòu)橫截面 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制造出大型的致密、無裂紋的純鎢部件。
二、電子束粉末床熔融研究進展
相較于PBF-LB，電子束粉末床熔融（PBF-EB）具有一些獨特優(yōu)勢，使其更適合用于鎢加工。PBF-EB設(shè)備內(nèi)部的真空環(huán)境不僅具有良好的隔熱功能，能夠使粉末床輕松保持在高溫狀態(tài)，從而有效緩解應力，降低開裂風險；而且真空環(huán)境潔凈，有助于保持鎢不含雜質(zhì)。
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(qū)者之一。在2015年，他將“PBF-EB工藝應用于純鎢加工”作為其博士研究項目。通過使用相同的等離子球化粉末（典型激光尺寸為25 - 45 μm），對PBF-EB和PBF-LB進行了直接比較。結(jié)果顯示，PBF-EB成功生產(chǎn)出了高密度且無裂紋的鎢，構(gòu)建平臺溫度保持在約1000°C；而PBF-LB雖然在最大光束功率400 W下也能制造出高密度樣品，但會產(chǎn)生裂紋。Wright的博士論文還首次展示了更為復雜的PBF-EB幾何形狀——一款精美的鎢晶格環(huán)面。
鎢晶格環(huán)面 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(fā)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(xù)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(yōu)條件。研究結(jié)果表明，隨著電子束熔化鎢粉，材料中的氧含量明顯降低，構(gòu)建材料中的氧含量僅有ppm級，這使得抵消鎢的脆性具備了可能性。另外，由ORNL制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，與退火和再結(jié)晶狀態(tài)下的高質(zhì)量粉末冶金鎢不相上下。
2023年5月，ORNL制造的PBF-EB樣品在圣地亞哥的DIII-D國家聚變設(shè)施中進行測試，該樣品在高熱和粒子流的混合環(huán)境中接受考驗，并與傳統(tǒng)制造的高純度再結(jié)晶鎢進行對比。結(jié)果表明，PBF-EB鎢在熱機械響應和表面損傷方面表現(xiàn)相當或更優(yōu)，僅出現(xiàn)了一些表面粗糙、晶粒生長和裂紋萌生現(xiàn)象，但未出現(xiàn)剝落或材料彈出等失效模式。
來源：ORNL
ORNL還展示了其在與聚變能相關(guān)的測試幾何結(jié)構(gòu)中的鎢加工能力，如制造出的六邊形瓦片幾何結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能應用于托卡馬克聚變反應堆的偏轉(zhuǎn)器或內(nèi)壁，瓦片安裝在增材制造的棒上，棒內(nèi)設(shè)有通道用于冷卻氣體的流通。
來源：ORNL
3、德國卡爾斯魯厄理工學院
在EUROfusion聯(lián)盟框架下，歐洲也研究了PBF - EB鎢的等離子體特性。德國卡爾斯魯厄理工學院帶領(lǐng)的團隊用PBF-EB制造鎢樣品，還將其與新的銅冷卻結(jié)構(gòu)組合。這些鎢樣品在模擬聚變反應堆條件的各種測試里表現(xiàn)良好：在Jülich的JUDITH設(shè)施中，經(jīng)熱沖擊測試未出現(xiàn)宏觀故障；在Garching的GLADIS設(shè)施進行高熱通量暴露測試時，雖有近表面晶粒生長現(xiàn)象，但整體性能穩(wěn)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(yōu)化的幾何形狀和改進的冷卻結(jié)構(gòu)。研究顯示，PBF-EB制造的鎢密度可達99.8%，微觀結(jié)構(gòu)為柱狀且無裂紋，熱導率和熱擴散率與軋制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。
增材制造技術(shù)為制造復雜的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密度，而且能夠消除傳統(tǒng)粉末冶金法制造鎢時存在的缺陷。在增材制造技術(shù)體系里，PBF-LB和PBF-EB各有利弊。PBF - LB在制造薄壁、對分辨率要求高且具有精細細節(jié)的鎢部件時具備優(yōu)勢，不過在制造厚部件時，會面臨微裂紋、孔隙率和生產(chǎn)率低等問題；PBF - EB則在制造較厚的鎢部件上表現(xiàn)優(yōu)異，能夠有效地解決裂紋和雜質(zhì)問題，在聚變反應堆的等離子面磚等應用場景中有著廣闊的應用前景。（轉(zhuǎn)載自增材工業(yè) 作者：木易，素材來源：metal-am）
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