勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員已經(jīng)確定了增材制造過程中在鎢中觀察到微裂紋的原因。通過將模擬與高速視頻相結(jié)合，研究人員能夠?qū)崟r(shí)觀察3D打印過程中鎢的延性-脆性轉(zhuǎn)變（DBT）。利用他們的監(jiān)視技術(shù)，團(tuán)隊(duì)將諸如殘余應(yīng)力，應(yīng)變率和溫度之類的變量確定為開裂的原因?？茖W(xué)家的發(fā)現(xiàn)可以作為3D打印其他無裂紋金屬零件的基礎(chǔ)，并在國防和能源行業(yè)具有潛在的應(yīng)用。

該團(tuán)隊(duì)的首席研究員Manyalibo“ Ibo” Matthews說：“由于其獨(dú)特的性能，鎢在能源部和國防部的特定任務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。這項(xiàng)工作有助于為鎢的新增材制造加工領(lǐng)域鋪平道路，這可能會(huì)對(duì)這些任務(wù)產(chǎn)生重大影響?！?/p>

鎢的微裂紋傾向

鎢是一種金屬3D打印材料，其特征在于適度的熱膨脹，高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱率。該合金的熱機(jī)械性能以及高密度和低濺射侵蝕率使其非常適合極端環(huán)境中的應(yīng)用。盡管鎢具有良好的特性，但由于缺乏耐熱沖擊性和低溫脆性，其廣泛采用受到了限制。DBT過渡對(duì)于確定打印材料較低的熱工作范圍的極限至關(guān)重要。當(dāng)金屬暴露于高溫（例如3D打印中發(fā)生的高溫）之后冷卻時(shí)，不可避免地會(huì)遇到DBT。較低的溫度會(huì)導(dǎo)致延展性急劇下降，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力和微裂紋。

在激光粉末床熔合（LPBF）印刷過程中，材料的持續(xù)快速加熱也會(huì)導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力，從而在最終產(chǎn)品中產(chǎn)生變形。盡管可以理解DBT會(huì)在LPBF 3D打印的鎢中引起微裂紋，但是發(fā)生這種現(xiàn)象的確切原因仍然是個(gè)謎。先前的研究人員曾嘗試在鎢中添加納米ZrC粉末，但結(jié)果參差不齊。

魯汶大學(xué)的科學(xué)家在2018年發(fā)現(xiàn)添加ZrC沒什么區(qū)別，而清華大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力降低了80％。為了找到導(dǎo)致微裂紋原因的最終答案，LLNL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種現(xiàn)場監(jiān)測LPBF打印的方法，以更詳細(xì)地研究DBT過渡。

LLNL小組的現(xiàn)場觀察方法

為了全面評(píng)估開裂與溫度引起的應(yīng)力之間的關(guān)系，LLNL科學(xué)家采用了Photron SA-X2高速相機(jī)。該設(shè)備聚焦在軌道的中心，激光掃描整個(gè)圖像。利用Navitar Zoom 6000系統(tǒng)，沿著鎢片匯總掃描了2mm長的單條軌跡。然后使用高斯光束直徑分別為50 μm和100 μm來研究光束光斑尺寸對(duì)工藝的影響，每個(gè)參數(shù)重復(fù)20次。研究人員使用LLNL的Diablo Lagrangian元素代碼軟件，隨后對(duì)鎢基底上的走線進(jìn)行了熱和熱機(jī)械模擬。

即使使用半對(duì)稱來減小模擬的大小，每個(gè)模擬都使用了大約一百萬個(gè)元素，每個(gè)計(jì)算時(shí)間大約為1，000 cpu-hour。測試結(jié)果表明，熔池通過后延遲了一段時(shí)間，開始出現(xiàn)裂紋。在出現(xiàn)縱向裂縫之前，將激光功率從250 μm增加到600 μm，這也導(dǎo)致了它們之間的間距更大。

結(jié)果，研究小組得出結(jié)論，縱向裂紋部分緩解了合金的殘余應(yīng)力，并導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致凝固池中間形成垂直取向的細(xì)晶粒，從而容易產(chǎn)生裂紋。為了解決DBT所涉及的殘余應(yīng)力，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)需要一種將優(yōu)化的機(jī)器參數(shù)與材料組成相結(jié)合的通用策略?？梢灶A(yù)見并控制鑄腔室內(nèi)的氧氣含量對(duì)降低應(yīng)變速率很重要，合金中雜質(zhì)的濃度也很重要。

中國3D打印網(wǎng)點(diǎn)評(píng)：LLNL團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)是朝著在極端環(huán)境中應(yīng)用3D打印無裂紋鎢零件的目標(biāo)邁出的堅(jiān)實(shí)的第一步。 我以為鎢的開裂會(huì)有所延遲，但結(jié)果大大超出了我的預(yù)期。熱力學(xué)模型為我們所有的實(shí)驗(yàn)觀察提供了解釋，并且兩者都足夠詳細(xì)，足以捕獲DBT的應(yīng)變率依賴性。使用這種方法，我們擁有一個(gè)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(yè)中的鎢

近年來，研究人員和公司都將鎢廣泛用于各種用途。活頁夾噴射3D打印機(jī)供應(yīng)商ExOne已與Global Tungsten＆Powders Corp建立了合作關(guān)系，以促進(jìn)鎢粉在活頁夾噴射制造中的使用。雙方的合作有望優(yōu)化合金材料，以生產(chǎn)切削工具，耐磨零件以及高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率應(yīng)用。

癌癥研究所（ICR）和皇家馬斯登醫(yī)院的科學(xué)家在伽瑪相機(jī)中使用了3D打印的鎢片，以進(jìn)行更高分辨率的醫(yī)學(xué)成像。成像技術(shù)捕獲了注入癌癥患者的藥物發(fā)出的輻射的痕跡。

匹茲堡大學(xué)和合成金屬的生產(chǎn)商通用碳化物獲得了57，529美元的贈(zèng)款，用于研究碳化鎢在3D打印中的用途。這項(xiàng)聯(lián)合研究安排使通用硬質(zhì)合金公司可以分擔(dān)擴(kuò)展其產(chǎn)品組合的成本，同時(shí)開發(fā)更復(fù)雜和通用的零件。