随着科技不断发展，人们对增材制造纯钨的关注日益增多，这主要是因为未来聚变发电厂对钨部件存在预期需求。钨是一种性质独特的金属，在工业领域有巨大的应用潜力，不过传统制造方法在加工钨时面临许多困境，而增材制造技术的出现给纯钨加工带来了新的机遇。

聚变反应堆 来源：2024 EPFL

钨是一种源自瑞典和西班牙的元素。1781年，瑞典化学家卡尔・威廉・舍勒（Carl Wilhelm Scheele）发现钨是白钨矿的主要成分，后被确认为钨酸钙（CaWO₄）。1783年，西班牙化学家兄弟 José和Fausto de Elhuyar发现了从黑钨矿中分离出纯钨金属的还原工艺。

黑钨矿 来源：lifechem

钨作为难熔金属，为何应用广泛？

钨属于难熔金属，其熔点高达3422°C，位居所有元素之首，这赋予其极强的耐热性；并且，钨的热膨胀率为所有元素最低，其密度与金相近，是铝的七倍，这些特性让钨在高温、高强度等特殊环境中有优异表现。

来源：sollex

就化学性能而言，钨具有极为出色的X射线屏蔽性能，甚至优于铅，且不存在环境问题和毒性。除此之外，钨是热与电的优良导体，无磁性，硬度较高，有着极佳的耐磨性与耐腐蚀性。总体来讲，钨呈现出独特且出众的金属特性。

鉴于上述优良特性，钨及其合金在诸多领域被广泛应用。钨在耐热金属部件、医用X射线屏蔽设备、X射线源、火箭发动机部件、熔炉加热元件、弹药与穿甲弹、车辆和飞机的配重/压舱物、珠宝以及焊接电极等方面均发挥着重要作用。在工业领域，钨更是碳化钨工具以及其他金属加工应用中不可或缺的成分。

传统制造钨金属的困境

下图展示了使用钨矿石或钨金属废料作为原材料的线材、棒材和板材生产的传统路线以及较新的AM路线。对于钨而言，传统的热熔技术（例如铸造）几乎不可能生产块状钨金属，这是因为，在现有材料中，没有足够耐热的固体材料可以安全且惰性地包裹熔融的钨，使得通过这种常规方式加工钨变得极为困难。

来源：Freemelt

目前，钨主要通过粉末冶金方法和非熔融加工（如轧制或锻造）来固结。然而，传统粉末冶金法制造的钨存在诸多缺陷，甚至一度阻碍其在工业层面的广泛应用。一方面，粉末冶金钨通常含有大量残余孔隙；另一方面，材料在室温下易碎，加工难度大。这种脆性不仅与钨的防滑体心立方晶体结构有关，还因为非熔融粉末冶金制造过程中不可避免地会留下氧和碳等杂质，这些杂质偏析到晶界，进一步加剧了材料的脆性。

不过，值得注意的是，当温度升高到200 - 800°C时，钨会转变为易延展状态，具体的延展-脆性转变温度（DBTT）取决于其微观结构、纹理和杂质水平。

增材制造纯钨的主流工艺

传统制造钨的方法，如铸造因缺乏合适耐热材料包裹熔融钨而几乎无法生产块状钨金属，粉末冶金法制造的钨又存在残余孔隙多、材料易碎、室温难加工等问题；而增材制造技术为纯钨制造开辟了新路径，有望解决这些传统制造方法无法解决的难题。

一、激光粉末床熔融研究进展

激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺在工业钨制造领域已有十余年的发展历史。荷兰的Dunlee是该领域著名的制造工厂，自2012年起 ，Dunlee已开发出多项成功的钨应用产品，其中最具代表性的是用于医学成像的X射线CT系统的防散射网格，其纯钨壁厚仅为70 µm，这种精细的几何形状是传统粉末冶金路线难以实现的。

PBF-LB制作的防散射网格 图源：Dunlee

在PBF-LB研究方面，已有大量研究探索钨的可制造性。尽管PBF-LB能够制造出上图所示的亚毫米薄壁钨结构，然而要制造出更厚、更大型的致密材料却颇具难度。由于PBF-LB参数是针对低体积孔隙率进行优化的，所以PBF-LB钨中会产生微裂纹，主要是因为熔池冷却到钨的脆性温度范围（远低于DBTT）时应力不断积累。

如下图示的案例展示了上述裂纹情况，PBF - LB构建平台被加热到1000°C，即便构建温度如此之高，部分裂纹依旧存在。此外，热构建平台还引发了另一个问题：热钨极易从PBF - LB设备的保护气中吸收杂质，而钨中的杂质会进一步加剧其脆性。

微观结构横截面 来源：谢菲尔德大学

因此，目前尚未有成熟的方法能够利用PBF-LB制造出大型的致密、无裂纹的纯钨部件。

二、电子束粉末床熔融研究进展

相较于PBF-LB，电子束粉末床熔融（PBF-EB）具有一些独特优势，使其更适合用于钨加工。PBF-EB设备内部的真空环境不仅具有良好的隔热功能，能够使粉末床轻松保持在高温状态，从而有效缓解应力，降低开裂风险；而且真空环境洁净，有助于保持钨不含杂质。

1、英国谢菲尔德大学

英国谢菲尔德大学的Jonathan Wright是PBF-EB钨研究的先驱者之一。在2015年，他将“PBF-EB工艺应用于纯钨加工”作为其博士研究项目。通过使用相同的等离子球化粉末（典型激光尺寸为25 - 45 µm），对PBF-EB和PBF-LB进行了直接比较。结果显示，PBF-EB成功生产出了高密度且无裂纹的钨，构建平台温度保持在约1000°C；而PBF-LB虽然在最大光束功率400 W下也能制造出高密度样品，但会产生裂纹。Wright的博士论文还首次展示了更为复杂的PBF-EB几何形状——一款精美的钨晶格环面。

钨晶格环面 来源：谢菲尔德大学

2、美国橡树岭国家实验室

美国田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）对PBF - EB钨的发展贡献重大。ORNL是美国能源部最大的国家实验室，一直研究未来可持续能源，PBF - EB材料是重点方向之一，近五年难熔金属是主要研究对象。

ORNL对高达1800°C的粉末床温度展开了探索，旨在找出钨加工的最优条件。研究结果表明，随着电子束熔化钨粉，材料中的氧含量明显降低，构建材料中的氧含量仅有ppm级，这使得抵消钨的脆性具备了可能性。另外，由ORNL制造的致密且无裂纹的PBF - EB钨在高温下有着良好的拉伸性能，与退火和再结晶状态下的高质量粉末冶金钨不相上下。

2023年5月，ORNL制造的PBF-EB样品在圣地亚哥的DIII-D国家聚变设施中进行测试，该样品在高热和粒子流的混合环境中接受考验，并与传统制造的高纯度再结晶钨进行对比。结果表明，PBF-EB钨在热机械响应和表面损伤方面表现相当或更优，仅出现了一些表面粗糙、晶粒生长和裂纹萌生现象，但未出现剥落或材料弹出等失效模式。

来源：ORNL

ORNL还展示了其在与聚变能相关的测试几何结构中的钨加工能力，如制造出的六边形瓦片几何结构，这种结构可能应用于托卡马克聚变反应堆的偏转器或内壁，瓦片安装在增材制造的棒上，棒内设有通道用于冷却气体的流通。

来源：ORNL

3、德国卡尔斯鲁厄理工学院

在EUROfusion联盟框架下，欧洲也研究了PBF - EB钨的等离子体特性。德国卡尔斯鲁厄理工学院带领的团队用PBF-EB制造钨样品，还将其与新的铜冷却结构组合。这些钨样品在模拟聚变反应堆条件的各种测试里表现良好：在Jülich的JUDITH设施中，经热冲击测试未出现宏观故障；在Garching的GLADIS设施进行高热通量暴露测试时，虽有近表面晶粒生长现象，但整体性能稳定。

来源：卡尔斯鲁厄理工学院

目前该团队正筹备新测试活动，其测试对象有优化的几何形状和改进的冷却结构。研究显示，PBF-EB制造的钨密度可达99.8%，微观结构为柱状且无裂纹，热导率和热扩散率与轧制粉末冶金钨参考材料相近，在600 - 1000°C的热拉伸试验中，伸长率达80%，延展性良好。

增材制造技术为制造复杂的3D钨部件开辟了新路径，它不但有希望提升材料的化学纯度与密度，而且能够消除传统粉末冶金法制造钨时存在的缺陷。在增材制造技术体系里，PBF-LB和PBF-EB各有利弊。PBF - LB在制造薄壁、对分辨率要求高且具有精细细节的钨部件时具备优势，不过在制造厚部件时，会面临微裂纹、孔隙率和生产率低等问题；PBF - EB则在制造较厚的钨部件上表现优异，能够有效地解决裂纹和杂质问题，在聚变反应堆的等离子面砖等应用场景中有着广阔的应用前景。（转载自增材工业 作者：木易，素材来源：metal-am）