超700万元用于3D打印核反应钨部件研究，附研究进展

3D打印技术参考于近日注意到，美国爱荷华州立大学机械工程系助理教授Sougata Roy新获得由美国能源部（DoE）提供的为期四年、总金额高达100万美元的研究资助，探索3D打印钨材料在核反应堆防护罩和其他组件制造方面的潜力。

核能钨部件3D打印研发项目介绍

这项资金将用于支持“DREAM-TEAM”项目——“为极端应用和管理工作开发强大的钨增材制造生态系统（Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management）。Roy教授表示：“在先进制造领域，增材制造技术的应用能够产生深远的影响。核能是美国最大的清洁能源来源，这种无排放的电力对于未来的可持续发展至关重要。”

美国能源信息署的数据显示，美国约有19%的电力供应来自核能，而风力发电则贡献了大约10%。该项目团队包括还北达科他大学的机械工程助理教授Yachao Wang（华裔），以及来自美国能源部三个国家实验室：艾姆斯国家实验室（位于爱荷华州立大学）、阿贡国家实验室以及橡树岭国家实验室。

项目领导者Sougata Roy教授

北达科他大学Yachao Wang教授

这笔资助是美国能源部“建立计划以刺激竞争性研究”（EPSCoR）项目的一部分，该项目总投资达3600万美元，旨在提升全国能源相关研究能力和专业知识。研究团队将专注于钨材料，因其在高温下保持强度、具有高熔点、能抵抗高能中子辐照下的侵蚀，并且能保持低水平的放射性氚，使其成为聚变反应堆内壁的理想材料。

然而，由于钨材料的硬度和脆性，传统制造工艺难以加工。研究团队计划采用激光粉末定向能量沉积，通过在控制氧气的条件下使用激光处理钨粉末，逐层打印金属。根据使用背景，3D打印技术参考认为这项研究更可能是制造较大尺寸的块体钨部件，而非一直被看到的钨格栅。

项目预计使用定向能量沉积3D打印技术

Roy教授在3D打印核能应用的钢基合金方面拥有丰富经验，他表示，该项目将使他能够购置新的仪器，用于表征打印样品的机械性能（包括仪器压痕特性和断裂韧性）。

3D打印技术参考于此前介绍过，钨的激光打印虽然可以通过合金化和工艺优化来改善，但这两种方法目前的成功均都有限。对于高比重钨合金，由于成分多样，性能差异大，熔点最高相差2400℃，各元素的饱和蒸气压不同。天津大学和中南大学的研究人员也指出，采用LPBF技术难以保证钨合金中各成分的可控性，制造具有优异机械性能全密度钨合金同样困难。

3D打印的钨部件

Roy教授指出，该项目的独特之处不仅在于3D打印技术本身，更在于基于物理的建模和计算模拟，这些模拟将与实验工作相结合。建模和模拟工作将涉及机器学习和人工智能工具，帮助研究人员建立实验结果背后的理论基础，并开发出能够承受核反应堆极端环境的钨合金配方。Roy教授表示将从纯钨开始，最终目标是开发出新的合金配方，解决裂纹问题。

已揭示3D打印钨易形成裂纹的原因

此前，3D打印技术参考介绍了劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员已经确定了钨3D打印出现微裂纹的原因。

通过将模拟与高速视频相结合，研究人员能够实时可视化钨3D打印过程中的韧性到脆性转变(DBT)，该转变是确定打印材料较低热工作范围极限的关键。当金属在暴露于高温后冷却时，不可避免地会遇到这一转变（3D打印的一半规律）。较低的温度会导致延展性急剧下降，从而导致残余应力和微裂纹。

残余应力和应变率是导致钨打印部件开裂的一个因素

在激光粉末床熔融 (LPBF) 打印过程中，材料的快速持续加热也会导致高残余应力，从而导致最终产品变形。虽然研究人员知道DBT会导致采用LPBF技术3D打印钨时出现微裂纹，但发生这种情况的确切原因仍然是个谜。

LLNL的研究人员利用监测技术，确定了残余应力、应变率和温度等变量是开裂的原因。研究小组得出结论，纵向裂纹部分缓解了合金的残余应力，并减少了部件上的横向断裂。模拟还显示，较深的熔池形状通常会导致在中间形成薄的垂直取向晶粒，这很容易导致裂纹的发生。

LLNL利用模拟和监控技术进行了钨的3D打印研究

为了解决DBT过程中产生的残余应力，该团队发现需要一种通用策略，将优化的机器参数与材料组成相结合。预热和控制构建室内的氧气水平被认为是降低应变率的重要因素，合金中杂质的浓度也很重要。 总体而言，LLNL团队认为他们的研究成果是朝着实现3D打印无裂纹钨部件（用于极端环境）的目标迈出的坚实一步。

3D打印“世界首创”复杂无缺陷钨部件

3D打印技术参考注意到美国橡树岭国家实验室（ORNL）于2024年5月发布了一则消息，该机构已经利用电子束3D打印技术制造出了首批复杂、无缺陷且具有复杂几何形状的钨部件。经测试，这些钨部件能够承受极端温度。

2024年，ORNL 3D打印出“世界首创”的新型复杂无缺陷钨部件

为了解决纯钨在室温下易碎的问题，ORNL研究人员开发了一种电子束3D打印机，可将钨逐层沉积成精确的三维形状。该技术使用高真空磁导向粒子流将金属粉末熔化为固体金属，真空环境可减少异物污染和残余应力形成。ORNL Michael Kirka教授表示：“电子束增材制造有望用于加工复杂的钨几何形状。这是扩大耐高温金属在能源资源中的应用的重要一步，将为可持续、无碳的未来提供支持。”

倍丰智能成功制造出纯钨格栅

除此之外，3D打印技术参考还注意到，吴鑫华院士领导的倍丰研发部门于2023年成功在SP261设备上制造出整体尺寸为245x25x15mm的防散射栅格件，其壁厚最小达到0.1mm，成形精度控制在0.03mm以内，致密度高达99%。同时纯钨打印件的100%透光率，保证了钨栅格在医疗实际应用中的CT探测器性能要求。倍丰技术团队为打印这类极限壁厚的零件专门在自主开发的软件中加入全新功能，该功能可以根据零件壁厚分配不同激光路径，打破了传统的激光路径分配方案，克服在打印薄壁处能量高、易变性的技术难点。这也为打印0.1mm壁厚甚至更薄工件提供可能。

升华三维打印钨合金样品（烧结）

除了激光或电子束3D打印，国内升华三维开发的基于3D打印+粉末冶金的复合钨合金成型工艺（PEP），在解决开裂方面具有优势。该公司推出的两款独立双喷嘴3D打印机为稳定制备大尺寸钨合金等难熔金属复杂结构件提供支撑，通过PEP打印-脱脂-烧结制备的钨合金相对密度可达99.6%。烧结后的钨合金构件，能达到或超过传统工艺制备性能指标。

市场采用不断增长

钨的3D打印应用一直备受关注，各种工艺类型均有不同特色。3D打印纯钨/钨合金零件在各种应用中的采用率正在显著上升。

钨金属的应用领域

在航空航天领域，由于推进系统和卫星技术的进步，对高强度、耐热钨部件的需求持续增长。

医疗应用侧重于钨的生物相容性和密度，这对于辐射屏蔽和植入式设备至关重要。

由于钨的耐用性，国防部门将3D打印钨零件用于弹药和电子屏蔽。

汽车应用领域正在不断扩大，钨被用在涡轮增压器和传动系统等发动机部件中，来提高性能和效率。

除了这些主要领域之外，其他应用还包括电子产品，其中钨的导电性和耐热性在电路和半导体生产中得到充分利用。

增材制造技术的不断进步推动了市场的增长，使复杂的几何形状和精确的材料特性能够根据特定应用需求量身定制。

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