SLM和EBM 3D打印金屬鎢的對比研究

2020年4月，喬納森·賴特（Jonathan Wright）最近向謝菲爾德大學材料科學與工程系提交了一篇論文，探討了用稀有金屬鎢進行3D打印的問題。在“ 通過選擇性激光熔化和電子束熔化的鎢的增材制造 ”中，賴特詳細介紹了使用選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）的純鎢粉末床增材制造（ALM）的潛力。

SLM和EBM 3D打印金屬鎢的對比研究論文（超過200頁）
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鎢由鎢鐵礦（（Fe，Mn）WO4）和白鎢礦（CaWO4）衍生，不僅具有所有元素中最低的蒸氣壓，而且具有高熔點和“拉成細絲”的能力。如今，它已用于燈絲和許多其他應用中，可用于高溫或需要高密度的場景，例如X射線屏蔽。

賴特還解釋說，由于鎢的熱特性，“低的spluttering yield濺射產(chǎn)率和較短的活化衰減時間”，它也適用于核聚變實驗。

“雖然可以對鎢進行機械加工（鉆孔，車削，銑削等），但很困難，需要專業(yè)知識，并且必須嚴格遵守嚴格條件，”賴特說�！翱梢酝ㄟ^克服一些困難的放電加工Electrical Discharge Machining（EDM）來形成更復雜的結構。”

由于鎢的化學、物理和機械組成會帶來挑戰(zhàn)和局限性，因此需要考慮合金化。但是，賴特指出，雖然已經(jīng)對“大量”合金進行了試驗，但是還有很大空間。迄今為止，鎢-合金被認為具有最大的改善延展性的潛力。


△鎢濕法冶金的一般流程圖

在賴特研究的實驗階段，他使用雷尼紹SLM 125來制造樣品零件，并使用雷尼紹AM 400來制造其他零件。

△雷尼紹SLM 125金屬3D打印機

對于EBM工藝，使用了Arcam S12系統(tǒng)


△ARCAM S12 EBM金屬3D打印機

賴特發(fā)現(xiàn)很難制造出沒有缺陷的鎢零件，并且光束功率是產(chǎn)生孔隙的最大原因之一，所有樣品在200W時表現(xiàn)出高水平，而在400W時表現(xiàn)出最低水平。

“隨著通過SLM生產(chǎn)的鎢樣品中孔隙率的降低，發(fā)現(xiàn)裂紋的數(shù)量增加了，因此這也是光束功率的因素，”賴特解釋說。

為了生產(chǎn)無裂紋零件，需要對鎢的SLM進行進一步的工作。這可能包括調查添加外部熱源。加熱的環(huán)境可能會減少殘余應力，并使材料高于DBTT�！�


△通過SLM制造的鎢Langmuir探針。長25mm

在嘗試制造EBM樣品時，賴特能夠為低缺陷的鎢樣品找到合適的參數(shù)。他認為速度、電流和艙口間距在孔隙率中起著重要作用。

△通過EBM制造的鎢單體。外形尺寸20mm x 20mm x 25mm

△通過EBM制造的鎢晶格結構。外徑：80mm。厚度：20mm

“這是EBM打印鎢的首次報道。具體而言，EBM能夠生產(chǎn)出低孔隙率，無裂紋的零件。由于結合了真空環(huán)境，高構建溫度和高光束功率，EBM似乎是首選的制造工藝�！辟囂乜偨Y道。

“然而，在ALM可以用于制造用于結構應用的鎢之前，機械性能和幾何精度需要進一步改善。對于機械性能非關鍵且要求復雜幾何形狀的應用（例如X射線準直），此處概述的ALM技術可以提供可行的加工路線�！�

隨著世界各地研究人員不斷完善3D打印和增材制造工藝，人們正在研究鎢的性能和應用，從檢驗鎢的性能到制造切削工具以及大型非合金零件。

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