隨著科技不斷發展，人們對增材制造純鎢的關注日益增多，這主要是因為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，在工業領域有巨大的應用潛力，不過傳統制造方法在加工鎢時面臨許多困境，而增材制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，后被確認為鎢酸鈣（CaWO?）。1783年，西班牙化學家兄弟 José和Fausto de Elhuyar發現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、高強度等特殊環境中有優異表現。

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，甚至優于鉛，且不存在環境問題和毒性。除此之外，鎢是熱與電的優良導體，無磁性，硬度較高，有著極佳的耐磨性與耐腐蝕性。總體來講，鎢呈現出獨特且出眾的金屬特性。

鑒于上述優良特性，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揮著重要作用。在工業領域，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。

傳統制造鎢金屬的困境

下圖展示了使用鎢礦石或鎢金屬廢料作為原材料的線材、棒材和板材生產的傳統路線以及較新的AM路線。對于鎢而言，傳統的熱熔技術（例如鑄造）幾乎不可能生產塊狀鎢金屬，這是因為，在現有材料中，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。然而，傳統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構有關，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，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，鎢會轉變為易延展狀態，具體的延展-脆性轉變溫度（DBTT）取決于其微觀結構、紋理和雜質水平。

增材制造純鎢的主流工藝

傳統制造鎢的方法，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；而增材制造技術為純鎢制造開辟了新路徑，有望解決這些傳統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）工藝在工業鎢制造領域已有十余年的發展歷史。荷蘭的Dunlee是該領域著名的制造工廠，自2012年起 ，Dunlee已開發出多項成功的鎢應用產品，其中最具代表性的是用于醫學成像的X射線CT系統的防散射網格，其純鎢壁厚僅為70 μm，這種精細的幾何形狀是傳統粉末冶金路線難以實現的。

PBF-LB制作的防散射網格 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構，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參數是針對低體積孔隙率進行優化的，所以PBF-LB鎢中會產生微裂紋，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構建平臺被加熱到1000°C，即便構建溫度如此之高，部分裂紋依舊存在。此外，熱構建平臺還引發了另一個問題：熱鎢極易從PBF - LB設備的保護氣中吸收雜質，而鎢中的雜質會進一步加劇其脆性。

微觀結構橫截面 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）具有一些獨特優勢，使其更適合用于鎢加工。PBF-EB設備內部的真空環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，從而有效緩解應力，降低開裂風險；而且真空環境潔凈，有助于保持鎢不含雜質。

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。結果顯示，PBF-EB成功生產出了高密度且無裂紋的鎢，構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面。

鎢晶格環面 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，與退火和再結晶狀態下的高質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，并與傳統制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面損傷方面表現相當或更優，僅出現了一些表面粗糙、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還展示了其在與聚變能相關的測試幾何結構中的鎢加工能力，如制造出的六邊形瓦片幾何結構，這種結構可能應用于托卡馬克聚變反應堆的偏轉器或內壁，瓦片安裝在增材制造的棒上，棒內設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的團隊用PBF-EB制造鎢樣品，還將其與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里表現良好：在Jülich的JUDITH設施中，經熱沖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，雖有近表面晶粒生長現象，但整體性能穩定。

來源：卡爾斯魯厄理工學院

目前該團隊正籌備新測試活動，其測試對象有優化的幾何形狀和改進的冷卻結構。研究顯示，PBF-EB制造的鎢密度可達99.8%，微觀結構為柱狀且無裂紋，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，而且能夠消除傳統粉末冶金法制造鎢時存在的缺陷。在增材制造技術體系里，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的鎢部件時具備優勢，不過在制造厚部件時，會面臨微裂紋、孔隙率和生產率低等問題；PBF - EB則在制造較厚的鎢部件上表現優異，能夠有效地解決裂紋和雜質問題，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。（轉載自增材工業 作者：木易，素材來源：metal-am）