增材制造技术在钨及钨合金中的应用及缺陷控制

来源：中国钨业学术期刊
作者：何文斌1，尤启凡1，刘奋成1，唐  炜2，胡生双3
单位：
南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室
江西省钨与稀土功能合金材料工程实验室
中航西安飞机工业集团股份有限公司
     本文全面回顾了增材制造技术在钨及钨合金结构制造领域的研究进展与应用现状。当前，适用于钨及钨合金的增材制造技术主要有同轴送粉激光定向能量沉积（L-DED）、粉末床熔融沉积（PBF）以及金属喷墨黏结技术（BJ）。在实际应用中，这些技术面临着诸如裂纹、孔隙等冶金缺陷及致密度不足等挑战，并且不同技术在缺陷调控方面呈现出各自的特点。L-DED可通过多种方式调控缺陷但存在孔隙、表面粗糙和粉末利用率低等问题，PBF虽能制备复杂件和高密度件却受裂纹严重制约，BJ可制备性能良好部件但黏结剂复杂且脱脂易导致孔隙产生。针对这些难题，研究者们通过优化工艺参数、实施合金化处理以及强化微观组织控制等手段积极探索解决方案。展望未来，钨及钨合金结构的增材制造技术将聚焦于更深入的工艺参数研究、新型钨合金材料的开发，以及结合先进数据分析技术，不断满足各领域日益增长的多样化需求。

引  言
     钨及钨合金因其极高的熔点、出色的强度与硬度、极低的热膨胀系数以及优异的抗腐蚀能力等一系列卓越性能，在医疗、电子及军事等诸多领域均占据着举足轻重的地位。在医疗领域，钨被广泛用于制 造精密的X射线光栅，为医学影像技术的进步贡献力量[1]。在电子行业中，钨作为关键电极材料，对于提升电子设备的性能至关重要[2]。而在军事领域，钨合金则因其高密度和优异的穿甲能力，成为制造穿甲弹等高性能弹药的首选材料[3]。钨及钨合金零件的传统制备方法，诸如热等静压法[4]、粉末冶金法[5]和金属注射成形法[6]等，在一定程度上满足工业生产的需求，但在面对复杂结构零件的成形时，这些方法却显得力不从心，难以满足现代工业对高性能材料制备的高标准与严要求。

    增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）作为一种颠覆性的先进制造手段，为钨及钨合金的成形开辟了全新路径。目前，适用于钨及钨合金零件的增材制造技术包括同轴送粉激光定向能量沉积技术[7]（Laser Directed-Energy-Deposition，L-DED）、粉末床熔融沉积技术[8]（Powder Bed Fusion，PBF）和金属喷墨黏结技术[9]（Binder Jet Printing，BJ）。尽管这些技术展现出广阔的应用前景，但在实际应用过程中仍面临着诸多挑战。例如，L-DED技术在制备纯钨件时，难以实现粉末的完全熔化，且易导致裂纹产生；PBF技术制备的钨及钨合金零件内部往往存在裂纹，且致密度有待进一步提升；而BJ技术则在提高钨及钨合金零件的密度和选择适宜黏结剂方面面临难题。此外，这些技术在合金成形工艺参数的优化、微观结构的精准控制以及与其他先进制造技术融合等方面，仍需进行更为深入的探索与研究。

增材制造技术在为钨及钨合金成形带来前所未有的机遇，同时也伴随着一系列亟待解决的挑战。未来，仍需进一步深入研究工艺参数以减少缺陷、提升成形质量和性能，开发新型钨合金材料以实现微观组织的精确控制，需要积极探索与其他先进制造技术的结合，以满足不同领域对高性能钨及钨合金零件的多样化需求。

图文速览

(a)不同激光功率与扫描速度制备W-Cu合金宏观图[54]；(b)激光曝光时间200μs[55]；(c)激光曝光时间300μs[55]
图9  SLM和L-DED制备钨及钨合金过程中的球化现象

结  论
增材制造技术凭借其高度的灵活性和对复杂形状零件的制备能力，为钨及钨合金的成形加工带来了新的路径。目前，适用于钨及钨合金零件增材制造的增材制造技术有同轴送粉激光定向能量沉积、粉末床熔融沉积以及金属喷墨黏结技术。然而，这些技术在实际应用中仍面临诸多挑战，包括裂纹、孔隙和表面球化等问题，这些缺陷严重影响零件的稳定性与可靠性，并且也对零件的外观质量以及尺寸精度造成了不良影响，进而限制增材制造技术在钨及钨合金领域的应用。

为了克服这些难题，科研人员进行了大量深入的探索和试验。通过优化工艺参数，如激光功率、扫描速度、扫描策略等，并结合预热基板等有效措施，成功减少了裂纹的产生，显著提高了零件的致密度和力学性能。此外，合金化策略也被证明是一种行之有效的手段，通过向钨合金中添加特定元素（如Ta、Nb、Re等），不仅减少了裂纹，还显著改善了合金的整体性能。同时，加强对微观组织的精准控制，深入探究微观组织对性能的影响机制，并采用合适的扫描策略来优化微观组织，已成为提升材料性能的关键路径。

展望未来，增材制造技术在钨及钨合金成形领域的发展仍需不断创新与突破，以更好地满足各领域的多样化需求。以下是几个值得深入探索的研究方向：

（1）成形工艺参数优化。未来需进一步细化研究工艺参数对钨及钨合金增材制造影响规律，旨在进一步减少缺陷，提升成形质量和性能。通过综合优化激光功率、扫描速度、扫描策略等关键参数，并结合预热基板等辅助手段，可有效缓解残余热应力，进一步降低裂纹的产生概率。

（2）新型钨合金材料研发。加强对新型钨合金材料的研发力度，以满足不同领域的特定需求。通过合金化或引入陶瓷相等创新方法，进一步改善钨合金的综合性能。这将为针对不同行业的特定应用场景定制高性能钨合金开辟新的道路。

（3）新的复合成形新工艺开发。超声、电磁、激光等多物理场与金属增材制造技术的复合，先进的现场过程监测技术的应用，配合工艺-结构-性能之间复杂关系的多尺度计算模拟，有望在揭示钨及钨合金增材成形缺陷形成机理的基础上实现各类缺陷的有效控制，从而显著提升结构的制造质量。