SLM和EBM金属3D打印“高熔点钨”对比研究

2020年4月，乔纳森·赖特（Jonathan Wright）最近向谢菲尔德大学材料科学与工程系提交了一篇论文，探讨了用稀有金属钨进行3D打印的问题。在“ 通过选择性激光熔化和电子束熔化的钨的增材制造 ”中，赖特详细介绍了使用选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）的纯钨粉末床增材制造（ALM）的潜力。

钨由钨铁矿（（Fe，Mn）WO4）和白钨矿（CaWO4）衍生，不仅具有所有元素中最低的蒸气压，而且具有高熔点和“拉成细丝”的能力。如今，它已用于灯丝和许多其他应用中，可用于高温或需要高密度的场景，例如X射线屏蔽。

赖特还解释说，由于钨的热特性，“低的spluttering yield溅射产率和较短的活化衰减时间”，它也适用于核聚变实验。

“虽然可以对钨进行机械加工（钻孔，车削，铣削等），但很困难，需要专业知识，并且必须严格遵守严格条件，”赖特说。“可以通过克服一些困难的放电加工Electrical Discharge Machining（EDM）来形成更复杂的结构。”

由于钨的化学、物理和机械组成会带来挑战和局限性，因此需要考虑合金化。但是，赖特指出，虽然已经对“大量”合金进行了试验，但是还有很大空间。迄今为止，钨-合金被认为具有最大的改善延展性的潜力。

△钨湿法冶金的一般流程图

在赖特研究的实验阶段，他使用雷尼绍SLM 125来制造样品零件，并使用雷尼绍AM 400来制造其他零件。

△雷尼绍SLM 125金属3D打印机

对于EBM工艺，使用了Arcam S12系统

△ARCAM S12 EBM金属3D打印机

赖特发现很难制造出没有缺陷的钨零件，并且光束功率是产生孔隙的最大原因之一，所有样品在200W时表现出高水平，而在400W时表现出最低水平。

“随着通过SLM生产的钨样品中孔隙率的降低，发现裂纹的数量增加了，因此这也是光束功率的因素，”赖特解释说。

为了生产无裂纹零件，需要对钨的SLM进行进一步的工作。这可能包括调查添加外部热源。加热的环境可能会减少残余应力，并使材料高于DBTT。”

△通过SLM制造的钨Langmuir探针。长25mm

在尝试制造EBM样品时，赖特能够为低缺陷的钨样品找到合适的参数。他认为速度、电流和舱口间距在孔隙率中起着重要作用。

△通过EBM制造的钨单体。外形尺寸20mm x 20mm x 25mm

△通过EBM制造的钨晶格结构。外径：80mm。厚度：20mm

“这是EBM打印钨的首次报道。具体而言，EBM能够生产出低孔隙率，无裂纹的零件。由于结合了真空环境，高构建温度和高光束功率，EBM似乎是首选的制造工艺。”赖特总结道。

“然而，在ALM可以用于制造用于结构应用的钨之前，机械性能和几何精度需要进一步改善。对于机械性能非关键且要求复杂几何形状的应用（例如X射线准直），此处概述的ALM技术可以提供可行的加工路线。”

随着世界各地研究人员不断完善3D打印和增材制造工艺，人们正在研究钨的性能和应用，从检验钨的性能到制造切削工具以及大型非合金零件。