3D打印拿下多个核能应用大单：超4万个零件，价值超780万欧元
今年9月，瑞典3D打印技术开发商Freemelt AB，从竞争性采购中获得欧洲聚变能源组织 (F4E) 的一份超级大单——为目前世界上最大的超导聚变装置制造3.3万个钨合金组件。
这份订单的基础价值为500万欧元，潜在总价值最高达750万欧元。
除此之外，Freemelt还在9月29日宣布获得F4E的另一订单，同样制造钨合金零件，总价值30万欧元。
10月23日，它又获得来自欧洲散裂中子源组织（ESS）的7000个钨部件订单。该笔订单金额超250万欧元，交付计划在14个月内完成。
从这几个订单看，Freemelt在钨金属3D打印领域明显占据了优势，同时也意味着难熔合金3D打印有潜力满足核能产业的应用需求，并正在迎来规模化生产。
但对此类材料，如何实现稳定成形、控制缺陷，并兼顾生产效率，是走向工程应用必须解决的问题。
钨难打印，电子束是更优解？
钨具有极高的熔点，能够承受高温和恶劣的工作环境，因此被广泛用于聚变反应堆。但这些特性也给制造带来了挑战，不仅传统加工困难，3D打印也并不容易。
一方面，钨的熔点远超钛、镍等常用合金，需要更高的能量输入才能实现熔化；另一方面，钨在一定温度范围内（包括300-600°C）具有较高的脆性，在熔化和凝固过程中容易产生较大的温度梯度和热应力，打印极易开裂。
因此，对钨这类难熔金属，3D打印的难点不仅在于要达到熔化所需的温度，还需要解决预热是否充分、温度分布是否均匀、粉末能否充分熔合等问题。
电子束点熔3D打印钨合金熔池准随机分布纹理
从目前的应用现状观察，电子束相比激光技术在打印难熔金属方面更具优势。
Freemelt指出，电子束粉末床熔融技术能够维持1000°C以上的高温，在如此高的温度下，钨不再易碎，可以熔合成致密、无裂纹的部件；此外，该工艺在真空环境下运行，可以避免氧气进入钨材料，从而能够保证材料纯度。
但从核能等行业使用3D打印钨等难熔金属零件的现状看，即时采用电子束3D打印，也仅仅是到最近才有批量订单的报道。这从侧面反映出，即使采用E-PBF，难熔合金的高质量3D打印或同样存在困难。针对这一点，笔者从西空智造得到了答案。
Freemelt打印的钨合金零件
电子束也并不容易，西空智造谈难点与对策
在国内，西空智造依托其自主研发的M100型电子束选区熔化点打印设备，针对纯钨、钨钼钽铌合金、纯钼、钼铼合金等难熔材料展开过增材制造技术研究，成功实现了高质量稳定成形。
➡️ 难熔金属电子束3D打印难题
但该公司指出，电子束3D打印难熔合金仍需面对高熔点、高温预热要求、热应力、工艺窗口窄以及粉末循环使用等挑战。
例如，难熔合金的熔点极高，需要极高的能量才能完全熔化粉末，但功率稍高又会导致熔池不稳定、飞溅、球化、烧蚀，参数容错空间很小。与此同时，材料的导热性很强，导致打印过程中的熔池热量会快速向周边粉末和基体散失，同样给成形带来了困难。
西空智造电子束点打印过程
为降低热梯度、减小残余应力，基板需要高温预热（＞1000℃）且温度场均匀，预热不足或预热不均极易导致大面积开裂。而且，从熔化到凝固温差极大，热应力水平很高，但材料的塑性却很差，应力难以通过塑性变形释放，极易开裂。
此外，粉末循环使用极易劣化。高温下W/Mo/Ta和O、N亲和力极强，反复打印循环后，粉末表面氧含量持续累积，粉末形貌劣化，批次稳定性变差，导致每一批打印件的性能波动大。
西空智造开发的电子束点打印设备
➡️西空智造多途径工艺控制
针对上述问题，西空智造通过多种技术提升制造质量。
首先，采用四向交替预热，改善温度场分布。
常规电子束预热为双向交替预热，基板存在明显的温度场不均的问题，西空智造改为四向交替预热，能够有效降低热梯度，降低零件开裂的风险。
其次，采用二次熔化改善粉末熔合状况。
常规电子束熔化为一次熔化，无法提供足够的能量密度完全熔化难熔合金粉末，成形金属表面存在可见孔洞且内部存在大量未熔合缺陷。
西空智造将熔化方式改为二次熔化，对成形区域进行两次熔化扫描，增加能量输入，实现难熔合金粉末的完全熔化成形。
此外，该公司还在开发随形预热，即对稍大于（＞2mm）成形零件区域的部分先进行一次预热，增加一定的能量输入，再进行熔化扫描成形。
M100打印的纯钼样件
通过成套协同优化工艺，西空智造成功实现难熔合金零件完整成形，内部裂纹及未熔合等冶金缺陷显著减少，可满足不同航空构件性能需求。
END
从钨合金组件的海外订单，到国内企业围绕难熔材料开展的工艺研究，可以看到难熔金属3D打印面临的挑战不只在于实现材料熔化，更在于稳定成形、缺陷控制和批次一致性等系统难题。
Freemelt能在此次竞争性采购中战胜传统加工技术，意味着电子束3D打印难熔金属制造在制造效率、成本和性能方面具有竞争力。
而西空智造目前的探索，表明国内企业正在加紧研发，有望推动电子束3D打印难熔金属在核能聚变、航空航天等高端应用场景实现规模化应用。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印
