勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已經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合，研究人員能夠實時觀察3D打印過程中鎢的延性-脆性轉變（DBT）。利用他們的監(jiān)視技術，團隊將諸如殘余應力，應變率和溫度之類的變量確定為開裂的原因。科學家的發(fā)現(xiàn)可以作為3D打印其他無裂紋金屬零件的基礎，并在國防和能源行業(yè)具有潛在的應用。

該團隊的首席研究員Manyalibo“ Ibo” Matthews說：“由于其獨特的性能，鎢在能源部和國防部的特定任務應用中發(fā)揮了重要作用。這項工作有助于為鎢的新增材制造加工領域鋪平道路，這可能會對這些任務產生重大影響。”

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，高熔點和高導熱率。該合金的熱機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過渡對于確定打印材料較低的熱工作范圍的極限至關重要。當金屬暴露于高溫（例如3D打印中發(fā)生的高溫）之后冷卻時，不可避免地會遇到DBT。較低的溫度會導致延展性急劇下降，從而導致殘余應力和微裂紋。

在激光粉末床熔合（LPBF）印刷過程中，材料的持續(xù)快速加熱也會導致較高的殘余應力，從而在最終產品中產生變形。盡管可以理解DBT會在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謎。先前的研究人員曾嘗試在鎢中添加納米ZrC粉末，但結果參差不齊。

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

LLNL小組的現(xiàn)場觀察方法

為了全面評估開裂與溫度引起的應力之間的關系，LLNL科學家采用了Photron SA-X2高速相機。該設備聚焦在軌道的中心，激光掃描整個圖像。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工藝的影響，每個參數重復20次。研究人員使用LLNL的Diablo Lagrangian元素代碼軟件，隨后對鎢基底上的走線進行了熱和熱機械模擬。

即使使用半對稱來減小模擬的大小，每個模擬都使用了大約一百萬個元素，每個計算時間大約為1，000 cpu-hour。測試結果表明，熔池通過后延遲了一段時間，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，這也導致了它們之間的間距更大。

結果，研究小組得出結論，縱向裂紋部分緩解了合金的殘余應力，并導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導致凝固池中間形成垂直取向的細晶粒，從而容易產生裂紋。為了解決DBT所涉及的殘余應力，該團隊發(fā)現(xiàn)需要一種將優(yōu)化的機器參數與材料組成相結合的通用策略?？梢灶A見并控制鑄腔室內的氧氣含量對降低應變速率很重要，合金中雜質的濃度也很重要。

中國3D打印網點評：LLNL團隊認為，他們的發(fā)現(xiàn)是朝著在極端環(huán)境中應用3D打印無裂紋鎢零件的目標邁出的堅實的第一步。 我以為鎢的開裂會有所延遲，但結果大大超出了我的預期。熱力學模型為我們所有的實驗觀察提供了解釋，并且兩者都足夠詳細，足以捕獲DBT的應變率依賴性。使用這種方法，我們擁有一個出色的工具，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打印機供應商ExOne已與Global Tungsten＆Powders Corp建立了合作關系，以促進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，以生產切削工具，耐磨零件以及高電導率和熱導率應用。

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

匹茲堡大學和合成金屬的生產商通用碳化物獲得了57，529美元的贈款，用于研究碳化鎢在3D打印中的用途。這項聯(lián)合研究安排使通用硬質合金公司可以分擔擴展其產品組合的成本，同時開發(fā)更復雜和通用的零件。