使用激光粉末床熔融（LPBF）和电子束熔融（EBM）技术，钨和钨合金粉末可打印出具有优异机械性能和热性能的高密度部件。本指南概述了钨金属三维打印。
介绍 钨三维打印
钨是一种独特的增材制造材料，因为它具有以下特性
- 超高密度 - 19 克/立方厘米
- 高硬度和高强度
- 出色的导热性
- 熔点高达 3422°C
- 具有挑战性的加工和机加工性能
印刷钨部件的主要应用
- 辐射屏蔽
- 航空航天和赛车零部件
- 放射治疗设备和准直器
- 医疗植入物，如牙科植入物
- 配重和平衡组件
- 电气触点和加热元件
用于 AM 的常见钨合金：
- 含镍、铁、铜、钴的钨重合金
- 碳化钨
- 掺杂钾的钨氧化物
纯钨粉
纯钨粉的密度最高：
属性
- 密度为 19.3 克/立方厘米
- 出色的辐射阻挡和屏蔽性能
- 硬度高达 400 Hv
- 强度高达 1200 兆帕
- 熔点为 3422°C
- 良好的导电性和导热性
应用:
- 医用辐射屏蔽
- X 射线准直器和附件
- 航空配重
- 赛车运动中的减震
- 电气触点和加热器
供应商:TRU Group、Buffalo Tungsten、Midwest Tungsten
钨重合金
钨与镍、铁和铜的重合金在密度、强度和延展性方面达到了理想的平衡：
普通年级：
- 镍铁（90W-7镍-3铁）
- 镍铬合金（90W-6Ni-4Cu）
- 镍钨合金（90W-10Ni）
属性
- 密度为 17-18 克/立方厘米
- 强度高达 1 GPa
- 良好的耐腐蚀性和耐磨性
- 高温强度
应用：
- 汽车和赛车零部件
- 航空航天和国防系统
- 减震砝码
- 辐射屏蔽
- 医疗植入物，如牙科植入物
供应商： 山特维克、TRU 集团、纳米钢
碳化钨
碳化钨粉末可打印出极其耐磨的部件：
类型
- 含 6-15% 钴的 WC-Co 硬金属
- WC-Ni 硬质合金
- WC-CoCr 金属陶瓷
属性
- 硬度高达 1500 HV
- 抗压强度超过 5 GPa
- 杨氏模量高
- 卓越的耐磨性和抗侵蚀性
应用
- 切割工具和钻头
- 磨损件和密封件
- 防弹装甲组件
- 金属成型和冲压工具
供应商： 山特维克、纳米钢、水牛钨
掺杂氧化钨
K2W4O13 等掺钾钨氧化物具有独特的电气特性：
特点
- 半导体行为
- 电导率可随掺杂水平而调整
- 密度高达 9 克/立方厘米
- 辐射稳定性高
应用
- 电子和电气元件
- 电极、触点和电阻器
- 热电发电机
- 辐射探测器
供应商： Inframat 高级材料公司
材料性能比较
| 材料 | 密度（克/立方厘米） | 强度（兆帕） | 硬度 (HV) | 电阻率（μΩ-cm） |
|---|---|---|---|---|
| 纯钨 | 19.3 | 850 | 260 | 5.5 |
| WNiFe | 18 | 1000 | 380 | 8.1 |
| WC-12Co | 15.5 | 2000 | 1300 | 60 |
| 掺K的WO3 | 9 | – | – | 1-100 |
钨粉生产方法
1.氢气还原
- 最常见、最经济的工艺
- 氢气还原氧化钨
- 粉末形态不规则
2.等离子体球化
- 改善粉末形状和流动性
- 氢还原后完成
- 提供高纯度
3.等离子体雾化
- 卓越的粉末球形度和流动性
- 控制粒度分布
- 氧气拾取量低于气体雾化
4.化学蒸汽合成
- 超细纳米级钨粉
- 纯度高，颗粒小
- 用于氧化钨粉末
钨打印机技术
激光粉末床融合（LPBF）
- 高功率光纤激光器 > 400W
- 惰性氩气氛
- 精确控制熔池至关重要
电子束熔化（EBM）
- 强大的电子束 > 3 千瓦
- 高真空环境
- 最适用于高密度材料
粘结剂喷射
- 用于选择性连接粉末的粘合剂
- 需要进行后期处理才能达到完全密度
- 与 LPBF 和 EBM 相比，零件强度较低
LPBF 和 EBM 可以印刷高密度的钨元件。
技术规格
用于 AM 的典型钨粉规格：
| 参数 | 规格 | 测试方法 |
|---|---|---|
| 颗粒大小 | 15 - 45 微米 | 激光衍射 |
| 表观密度 | 9 - 11 克/立方厘米 | 霍尔流量计 |
| 水龙头密度 | 11 - 13 克/立方厘米 | ASTM B527 |
| 流量 | 25 - 35 秒/50 克 | ASTM B213 |
| 氧气含量 | < 100 ppm | 惰性气体聚变 |
| 碳含量 | < 50 ppm | 燃烧分析 |
| 球性 | 0.9 – 1 | 图像分析 |
控制粉末特性（如粒度分布和形态）对于高密度印刷至关重要。
印刷工艺开发
优化钨的 LPBF 工艺参数：
- 预热以控制开裂 - 通常为 100-150°C
- 精确控制的高激光功率 > 400W
- 小层厚度约为 20-30 微米
- 尽量减少压力的扫描策略
- 印刷后可控冷却
对于 EBM：
- 加热至 >600°C 烧结粉末
- 光束电流大，点尺寸小
- 较慢的扫描速度可实现完全熔化
- 尽量减少热梯度
需要测试打印来确定特性。
供应商和定价
| 供应商 | 年级 | 价格范围 |
|---|---|---|
| TRU 集团 | 纯 W、WNiFe | $350 - $850/kg |
| 纳米钢 | WC-Co, WNiFe | $450 - $1000/kg |
| 水牛钨 | 纯 W、W-Cr | $250 - $750/kg |
| Inframat | 掺杂 WO3 | $500 - $1500/kg |
| 山特维克 | WC-Co, W-Ni-Cu | $300 - $800/kg |
- 纯钨的成本约为每公斤 $350 至 $850 美元
- 每公斤重合金的成本约为 $450 至 $1000
- 掺杂氧化物，每公斤高达 $1500
价格取决于纯度、形态、粉末质量和订单量。
后期处理
钨 AM 零件的典型后处理步骤：
- 使用电火花加工或水刀去除支撑物
- 热等静压消除空隙
- 使用低熔点合金进行渗透
- 加工以提高表面光洁度
- 必要时与其他组件连接
适当的后处理对实现最终零件质量至关重要。
印刷钨元件的应用
航空航天:涡轮叶片、卫星部件、配重
汽车:平衡砝码、减震部件
医疗:辐射屏蔽、准直器、牙科植入物
电子产品:散热器、电气触点、电阻器
国防:辐射屏蔽、弹道防护
印刷钨元件可提高各行业高要求应用的性能。
钨 AM 的优缺点
优势
- 高密度辐射屏蔽
- 出色的强度和硬度
- 良好的热性能和电气性能
- 定制几何形状
- 整合多个部分
缺点
- 处理难度大、成本高
- 需要支撑的脆性材料
- 延展性和断裂韧性低
- 需要专用设备
打印问题故障排除
| 问题 | 可能的原因 | 纠正措施 |
|---|---|---|
| 孔隙率 | 粉末密度低 | 使用接近理论密度的高密度粉末 |
| 打印参数不准确 | 通过测试打印调整激光功率、速度和舱口间距 | |
| 裂缝 | 较大的热梯度 | 优化预热和扫描策略 |
| 高残余应力 | 印刷后使用热等静压 | |
| 污染 | 确保高纯度的加工气氛 | |
| 翘曲 | 加热或冷却不均匀 | 优化扫描模式，将部件牢固固定在构建板上 |
常见问题
问：印刷钨粉的粒度一般是多少？
答：一般为 15-45 微米，粒度分布严格控制在 20-35 微米左右。
问：印刷钨部件的气孔率会达到什么程度？
答：小于 1% 的孔隙率通常是通过工艺优化和热等静压工艺实现的。
问：哪些合金能很好地兼顾密度和机械性能？
答：含有 6-10%镍、铁和铜的钨重合金具有高密度、良好的延展性和断裂韧性。
问：印刷钨部件需要进行哪些后处理？
答：移除支撑物、热等静压、渗入和机械加工是常用的印后工艺。
问：预热温度是多少？
答：对于 LPBF，预热至 150°C 是常见的做法，以减少残余应力和裂纹。
问：处理钨粉时需要采取哪些安全预防措施？
答：使用适当的个人防护设备，避免吸入，并遵循供应商建议的安全粉末处理程序。
问：钨印刷粉的合格标准是什么？
答： ASTM B809、ASTM F3049 和 MPIF 标准 46 涵盖化学分析、取样和测试。
结论
利用 LPBF 和 EBM 等先进的三维打印工艺，钨及其合金可增材制造具有无与伦比的刚度、强度、硬度和热性能的高密度部件。凭借超高的熔点、密度和辐射阻隔能力，打印钨部件可用于航空航天、赛车运动、医疗、国防和电子应用领域。然而，由于印刷性能和后处理要求极具挑战性，因此必须进行严格的工艺控制和参数优化，以实现完全致密化和理想的材料特性。随着印刷钨的专业知识和经验的积累，可以利用其独特的优势制造高性能部件，使其性能超越传统的制造限制。