鉬金屬因其在高溫下的強(qiáng)度而成為許多行業(yè)不可缺少的材料，有些應(yīng)用需要復(fù)雜且不易加工的形狀，3D打印是解決復(fù)雜部件生產(chǎn)問(wèn)題的一種方法。但是，當(dāng)用鉬金屬生產(chǎn)此類零件時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)缺陷。采用碳化鈦對(duì)鉬金屬進(jìn)行合金化的新工藝，可能預(yù)示著一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

打印范式轉(zhuǎn)變

高度專業(yè)化的工業(yè)部件越來(lái)越多地通過(guò)增材制造(AM)來(lái)生產(chǎn)，也被稱為3D打印。增材制造技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代中期，用于加速產(chǎn)品原型的開(kāi)發(fā)。該工藝的特點(diǎn)是在微觀層面將材料一層層融合在一起?！按蛴C(jī)”參考計(jì)算機(jī)三維模型，逐層生成一個(gè)精確的復(fù)制品。與傳統(tǒng)的銑削、切削、鉆孔和磨削的“減材”制造方法不同，成功的增材制造技術(shù)幾乎不產(chǎn)生任何浪費(fèi)。使用增材制造技術(shù)來(lái)增加零件的復(fù)雜程度往往更具成本效益，因?yàn)榭梢栽谟?jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)方案。一些傳統(tǒng)制造難以甚至不可能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，如與零件外表面沒(méi)有連接的空心零件，可以通過(guò)3D打印來(lái)制造。

將鉬金屬3D打印成航空航天、國(guó)防和能源工業(yè)所需的復(fù)雜形狀，擁有這個(gè)能力可以提高熱效率，這最終意味著用更少的資源產(chǎn)生更多的電能。然而，挑戰(zhàn)在于3D打印的鉬金屬可能會(huì)損失機(jī)械性能和穩(wěn)定性，導(dǎo)致其無(wú)法使用。這是因?yàn)殂f金屬和鉬合金的3D打印在打印條件不適當(dāng)?shù)那闆r下容易形成氣孔和裂紋等缺陷。但是，通過(guò)仔細(xì)控制3D打印過(guò)程，就可以用鉬金屬和鉬基合金(如碳化鈦鉬基合金)生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、高質(zhì)量無(wú)裂紋的零件。位于美國(guó)東南部的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家正在與外部利益相關(guān)者合作，對(duì)鉬金屬和鉬基合金物件進(jìn)行規(guī)模試驗(yàn)。3D打印可以打印出其他方式無(wú)法制造的復(fù)雜形狀。

不再產(chǎn)生縫隙

這種制造工藝使用一種稱為“粉末床熔融”(PBF)的增材制造方法，將粉末狀的原料熔化變成固體。PBF需要激光或電子束來(lái)熔化和融合粉末狀的成分。研究人員使用了后一種方法，因?yàn)樵诖蛴∵^(guò)程中對(duì)溫度變化的控制更好。由于材料在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷，鉬金屬的PBF尚未在工業(yè)規(guī)模上取得成功，但最近的研究結(jié)果表明這種情況會(huì)很快發(fā)生改變。

研究人員展示了打印高質(zhì)量鉬金屬的能力，它具有獨(dú)特的晶粒結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)的鉬金屬制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。PBF加工技術(shù)的進(jìn)步使得鉬金屬能夠成功地被打印制成核熱推進(jìn)系統(tǒng)所用的結(jié)構(gòu)部件。

除了鉬金屬外，研究人員還成功打印出基體鉬-碳化鈦復(fù)合材料。在材料科學(xué)術(shù)語(yǔ)中，它們叫做金屬陶瓷。為了制造金屬陶瓷，研究人員對(duì)60%鉬粉和40%碳化鈦的原料粉末進(jìn)行了機(jī)械合金化，并進(jìn)行了印刷。打印之后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。這類材料的成功生產(chǎn)，對(duì)于要求材料在極端環(huán)境如超臨界二氧化碳條件下運(yùn)行的能源系統(tǒng)，具有推動(dòng)其進(jìn)步的潛力。

其他研究團(tuán)隊(duì)也取得了可喜結(jié)果。2019年，北京理工大學(xué)為航空航天工業(yè)的離子推進(jìn)器開(kāi)發(fā)了3D打印鉬金屬部件。該研究小組還將鉬金屬粉末與碳化鈦粉末結(jié)合，形成了穩(wěn)定、抗氧化的復(fù)合材料。這種復(fù)合方法似乎產(chǎn)生了積極的效果，不僅適用于純鉬金屬，也適用于其他含鉬合金。新加坡的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)將二硼化鈦納米顆粒和含鉬鎳基合金INCONEL 625混合，也產(chǎn)生了較好的可打印性。這些進(jìn)展進(jìn)一步證明了未來(lái)大幅提高3D打印鉬金屬和含鉬合金部件的可行性。這些項(xiàng)目展示了鉬的獨(dú)特性能及其在全球脫碳化進(jìn)程中日益增長(zhǎng)的價(jià)值。

核反應(yīng)堆等熱電廠效率的提高取決于更好材料的開(kāi)發(fā)，特別是那些具有高溫強(qiáng)度的材料。鉬可以說(shuō)是這項(xiàng)工作的最佳候選材料。能夠用3D將材料打印出工業(yè)所需的形狀的能力，會(huì)對(duì)少消耗多發(fā)電的目標(biāo)產(chǎn)生重大影響。

(來(lái)源：IMOA鉬和含鉬材料的世界 2022-05-31)