增材制造技术制备钨材料研究进展

发布时间:

2025-04-29

摘要：从成形工艺、成形件组织等方面介绍了增材制造纯钨、高密度钨合金及 W-Cu 复合材料的研究进展，并介绍了增材制造钨合金的应用情况及主要问题。

钨作为一种重要的难熔金属材料，具有高熔点和沸点、高硬度、低膨胀系数、低蒸气压等特点，在航天航空、电子、化工、核工业及其他极端环境领域有着重要应用[1]。然而，由于钨有较高的熔点和低温脆性，使其很难使用通常的铸造和机加工方法制备。通常，大部分钨材料零件采用粉末冶金方法制备，但常规烧结态钨产品因存在密度低、强度低、塑性差和杂质含量难以控制等缺点，应用范围受到很大限制[2-3]。同时，在实际应用中，钨材料零部件的结构往往较复杂，通常有曲面、弯曲管道、孔和槽等特征，传统粉末冶金方法也难以实现。因此，为克服传统成形方法的不足，有必要采用一些新的成形技术。

近年来，快速发展起来的金属增材制造技术(或3D 打印技术)是利用高能热源熔化金属粉末，通过逐点-逐线-逐层堆积的方法实现三维实体零件的直接制造，具有无模具、近净成形的优点，且由于采用微熔池逐层堆积、熔化量小、凝固速度快，其成形样品的组织细小，力学性能优异[4-5]。目前该技术在不锈钢、高温合金及钛合金复杂零件制造方面已有较广泛的应用[6-8]。该技术也为高熔点钨合金的制备提供了一个有效的途径。钨合金的的类型较多，主要包括固溶合金、沉淀强化合金、高密度钨合金、W-Cu 、W-Ag 复合材料和 WC 硬质合金等，但是目前国内外关于增材制造钨的相关报道还较少，主要是集中在纯钨、W-Ni-Cu、W-Ni-Fe 高密度合金及 W-Cu 复合材料等。本文对增材制造技术制备钨材料的研究进展、应用情况以及面临的主要问题进行了介绍。

1 典型钨及钨合金增材制造工艺目前报道的增材制造钨及钨合金大多是采用增材制造技术中的激光选区熔化成形技术制备。激光选区熔化成形的过程为先构建零件的三维模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，激光束按照切层的信息，有选择的熔化铺粉平台上铺展的金属粉末原料，熔化完成后，铺粉平台下降一定高度，再铺展一层粉末，再进行选择熔化，如此反复，经过层层熔化与堆积，最终成形具有冶金结合、组织致密的金属零件。

2 增材制造纯钨材料

纯钨材料由于具有良好的导电性、高温稳定性等，在现代电子、半导体、光伏产业等中扮演十分重要的角色。但是由于钨的熔点高、密度大、热导率低、熔体表面张力大、粘度大，在增材制造过程中细小熔滴不稳定、球化现象显著，导致增材制造成形难度较大。周鑫等[9-10]针对上述问题开展了纯钨激光选区熔化成形工艺研究，利用激光扫描单层粉末的方式，开展了纯钨粉体激光熔化-凝固过程研究，探索了成形加工窗口，观察了熔滴球化现象。并运用熔滴铺展-凝固竞争模型解释了球化机制，提出利用增强基板与粉体对激光的吸收来提高熔滴峰值温度并延长凝固时间，以减弱球化倾向。增材制造过程中采用微熔池逐层堆积、熔化量小、凝固速度快，所以增材制造钨合金的显微组织与传统粉末冶金方法制备的钨合金的显微组织会有一定差别。张丹青等[11]对激光选区熔化成形的纯钨样品显微组织观察发现，激光熔化-凝固形成了尺寸约为 500 nm且有一定方向性的针状组织，形成这种显微组织一方面是由于在逐层熔化过程中，层与层之间热流的加工方向相互垂直，造成的晶体组织定向生长；另一方面是由于激光热源作用在金属粉末上形成细小的熔池，在熔体表面张力的作用下形成。同时得出，成形试样的显微硬度随扫描层数的增加呈下降趋势，当扫描厚度由第一层增加至第六层时，试样的显微硬度由 826HV下降到 353HV，之后显微硬度在试样高度方向上呈波动分布。

3 增材制造高密度钨合金

高密度钨合金是以钨为基体（钨的质量百分含量在 85%～99%），加入少量的 Ni、Cu、Fe 等元素组成的合金，密度可达 16.5～19.0 g/cm3，该合金具有密度高、强度高、延性好和无污染等优点，广泛应用在航空航天领域的惯性转动元件、配重元件及作为穿甲弹弹蕊等武器材料。目前，增材制造钨合金的研究即主要是集中在高密度钨合金上，尤其是W-Ni ，W-Ni-Fe 和 W-Ni-Cu 体系。纯钨的激光选区熔化试样在低能量输入下是较难形成完全致密结构的，但高密度钨合金中因为加入了 Ni、Cu、Fe 等低熔点元素，以低熔点 Ni 粉、Fe 粉、Cu 粉与 W 粉混合作为原料，在增材制造成形过程中可形成类似于粉末冶金过程中的活化烧结过程，可有效提高产品的致密度。 ZhangDQ等[12]进行了 W-Ni 合金激光选区熔化成形过程中成形机理和微观组织演化研究，指出其成形机理为 Ni 颗粒和部分 W 颗粒熔化作为粘结相，将固相的 W 颗粒进行液相烧结的成形过程，对增材制造 W-Ni 的显微组织进行了研究表明：随着 Ni 含量的增加，激光选区熔化成形 W-Ni 合金显微组织分别为：条状、枝晶状和蜂窝状。这主要是由于低熔点元素 Ni 的加入，使得粉末的热吸收率、比热、熔点等发生变化，引起温度梯度的降低和冷却速度的下降。 Ni 含量的增加能有效降低熔体的粘度，改善熔体的热流性能，提高组织均匀性。张丹青[13]等通过对 W-Ni-Cu 合金激光选区熔化过程成形机理和微观组织演化进行研究，指出其烧结机制为液相烧结和钨颗粒熔化-凝固的综合作用，研究了合金的致密化过程可以归因为粉层中未逸出气体的运动和液相流动的改善。同时，还以W-Ni-Fe 合金为研究对象[14]，采用有限元方法对激光选区熔化成形工艺参数对温度场的影响进行了模拟，揭示合金烧结过程机理。研究表明，在激光功率一定的前提下，扫描速度高时，W-Ni-Fe 合金致密化的机制是液相烧结，组织为液相凝固粘结未熔化的颗粒；随扫描速度的减小，组织中的枝晶逐渐增加，说明熔池温度升高，钨颗粒发生熔化；当扫描速度进一步降低，合金组织为柱状晶组织，其成形机理为合金粉末熔化-凝固机制。李瑞迪[15]等也对高密度钨合金（W-7Ni-3Fe）的激光选区熔化成形技术进行了研究，得出了类似的结论。王攀等[16]利用激光选区熔化成形制备出 W-Ni-Fe 高密度合金力学拉伸试验件。通过测试抗拉强度、硬度，结合组织结构和成分配比的研究分析，指出样品的力学性能与传统的粉末冶金烧结工艺之间还存在着一定的差距。

4 增材制造钨铜复合材料

W-Cu 复合材料因同时具有铜的高导电导热性和钨的高温强度、强抗电弧烧蚀性能，使得其具有良好的耐电弧侵蚀、抗熔焊和高强度等优点，这使得W-Cu 复合材料被广泛应用到电力、电子、机械和冶金等行业领域，尤其是在各类高压电器开关的电触头方面有着重要的应用。李瑞迪[17-18]等对激光选区熔化成形 W-Cu 复合材料工艺进行了研究。结果表明，由于 Cu 的导热率较高，很难形成较高的温度场，同时，由于 W、Cu 两相熔点相差较大，成形 W-Cu 复合材料主要是通过液相烧结实现，即通过液相 Cu 将钨骨架粘结实现致密化。戴冬华等[19]模拟了激光选区熔化成形 W-Cu 复合材料过程中熔池的温度场与速度场，研究了 W 粉末颗粒在 Cu 熔液中的受力情况和致密化过程。研究指出，随激光功率由 600W增至 900W，熔池内 Marangoni 流特征变化明显，激光功率大于 800W时，粉末周围会形成由压强差所引起的压力 F和二次流。当压力 F 与二次流产生的引力 FR之间的夹角为锐角时，W颗粒趋于形成小环状结构，颗粒重排困难，易于发生团聚；而当压力 F 与二次流产生的引力 FR 之间的夹角为钝角时，W 颗粒趋于形成大环状结构，利于颗粒的重排。顾冬冬[20-21]等采用激光选区熔化成形技术制备了 W 含量在 30wt%～50wt%的一系列 W-Cu 复合材料。同时发现，在 Cu 含量达到40%时，在 Marangoni 气流和固相钨颗粒的重排作用下，可形成 W 环 Cu 芯的特殊显微结构。

5 在典型零件上的应用

目前，增材制造钨零件在国际上已经有一定的应用。菲利浦公司下属企业，医疗成像零部件制造商 Smit R觟ntgen 进行了增材制造纯钨的系列产品开发。利用增材制造工艺在薄壁零件制备上的优势，Smit R觟ntgen 利用激光选区熔化技术制备了纯钨针孔准直器，这给准直孔径角和形状带来极大的制造自由度。同时，由于增材制造工艺可以减少材料消耗，节省生产成本，与传统的金属铸造相比，能实现更为复杂的设计，做出传统技术无法实现的几何形状，Smit R觟ntgen 还将增材制造技术应用于 X 射线透视设备，如 CT/PET/SPECT 上的高精度钨零部件的成形，这些钨零件结构自由且制造成本较低。同时，该公司也开始设计并生产了工业用的零部件，以精确高效地制造出高度复杂的凹面或支撑部件。另外，欧洲航天局也在伦敦科学博物馆启动的Amaze 展示了激光选区熔化工艺制造的可抵抗3000℃的钨合金部件。欧空局称，该部件可在核聚变反应堆和火箭喷嘴中工作。

6 结语

目前，国内钨合金的增材制造工艺主要以激光作为能量源，在一定条件下可完全成形，但在成形过程中可能会出现样品致密度低、微观组织均匀性差和成分存在一定偏析等，试样性能得不到提升，还需要进行深入的成形工艺探究、加强工艺监控、改善复杂零件成形的几何精度。同时，可引入能量更高的增材制造工艺，如电子束选区熔化成形工艺，该工业也是一种典型的金属增材制造技术，其工作原理与激光选区熔化类似，但由于是采用高能电子束为能量源，且采用磁控偏转控制电子束，可更有效地提高成形能量和成形效率，同时避免成形件开裂，同时也是一种较为理想的成形方式。

论文引用信息

Hot Working Technology 2016,Vol.45,No.24

DOI: 10.14158/j. cnki. 1001-3814. 2016. 24. 004

星尘科技采用射频等离子体球化工艺制备的难熔球形粉末丰富多样，涵盖钨（W）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）、钒（V）等多种难熔金属及其合金、化合物球形粉体，满足不同行业、不同应用场景的多样化需求。粉末优异的流动性、高的松装密度与振实密度使其在3D 打印过程中紧密堆积，减少孔隙产生，使打印成品内部结构致密，显著增强材料的力学性能。

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