Аддитивное производство вольфрама с помощью 3D-принтера: передовая технология получения высокотемпературных металлов.

2. Проблемы аддитивного производства (3D-печати) вольфрама и технологии их решения.

Хотя аддитивное производство (3D-печать) вольфрама возможно, оно сталкивается со многими техническими барьерами, которые затрудняют успешную печать вольфрама. Важно понимать эти проблемы, чтобы выбрать подходящую технологию 3D-печати.

Плотность

Плотность детали является важной технической проблемой в аддитивном производстве вольфрама. Достичь полной плотности вольфрама крайне сложно из-за его высокой температуры плавления и высокой вязкости в расплавленном состоянии. Если энергия, подаваемая во время печати, слишком низка, порошки недостаточно плавятся, и остаются поры. С другой стороны, если энергия слишком высока, возникает другая проблема, например, образование газовых пор из-за испарения расплавленного металла. Другими словами, ключ к повышению плотности заключается в стабильном плавлении вольфрама с оптимальной энергией.

Генерация трещин

Еще одной серьезной проблемой в аддитивном производстве вольфрама является образование трещин (расщепление). При аддитивном производстве вольфрама методом лазерно-лучевого спекания порошка (LB-PBF), популярного метода 3D-печати металлом, внутри материала возникают значительные термические напряжения из-за циклов быстрого нагрева и охлаждения лазером во время печати, что приводит к образованию трещин. Кроме того, при попадании кислорода внутрь напечатанных деталей на границах зерен образуются микропустоты, называемые «нанопорами», создавая слабые места, которые повышают вероятность образования трещин.

Чтобы решить эти проблемы:

• Снижение температурного градиента путем повышения температуры предварительного нагрева перед плавлением.
• Вопросы стратегии сканирования луча
• Добавление легирующего элемента
• Использование порошка с однородным распределением частиц по размерам.

Другие резолюции находятся на стадии рассмотрения.

Кроме того, выбор метода EB-PBF (электронно-лучевое спекание порошкового слоя) позволяет снизить температурный градиент, возникающий из-за процесса нагрева (процесса предварительного нагрева порошкового слоя перед началом процесса плавления), и уменьшить образование трещин во время печати.
Если порошки можно достаточно расплавить с помощью мощного электронного пучка, пористость можно уменьшить, что обеспечит превосходство данного метода в уплотнении.

На левом рисунке показана фотография поперечного сечения деталей из вольфрама, напечатанных методом электронно-лучевого наплавления (кубики размером 15 мм). На поперечном сечении видна столбчатая ориентированная микроструктура, обеспечивающая высокую плотность (19.26 г/см³).³Печать без видимых трещин.

Нажмите здесь для подробного описания электронно-лучевого 3D-принтера для печати металлом (EB-PBF).

3. Последние тенденции в технологии 3D-печати вольфрама.

Из-за своих характеристик обработка вольфрама традиционными методами механической обработки и литья крайне затруднительна. В последнее время в качестве решения этих проблем все большее внимание уделяется аддитивному производству (АМ) с помощью 3D-печати. ​​Как мы уже отмечали в главе 2, аддитивное производство с помощью 3D-печати также имеет свои недостатки, такие как уплотнение и образование трещин.

Здесь мы представляем две темы, демонстрирующие передовые достижения в области 3D-печати с использованием вольфрама.

1) Высокоэффективные вольфрамовые детали благодаря низкотемпературному порошковому напылению и низкоэнергетическому SLM-процессу.

2) Мультимодальная визуализация дефектов деталей из чистого вольфрама, напечатанных методом электронно-лучевой порошковой наплавки.

1) Высокоэффективные вольфрамовые детали благодаря низкотемпературному порошковому напылению и низкоэнергетическому SLM-процессу.

Ссылка:

Чжан, Ю., Ван, С., Лю, С., Сунь, Ч., Лю, Х., и Хуан, Д. (2025). Высокоэффективные вольфрамовые компоненты, полученные методом низкотемпературного распыления порошка и низкоэнергетического селективного лазерного спекания: прорыв в аддитивном производстве огнеупорных металлов. Инженерные отчеты, 7:e70426.
https://doi.org/10.1002/eng2.70426

Вопрос

В частности, при использовании метода селективного лазерного плавления (SLM: та же технология, что и LB-PBF) возникают следующие проблемы:

• Поскольку вольфрам — металл с высокой температурой плавления, для его расплавления лазером требуются высокая мощность/высокая энергия. Однако избыточная энергия может вызвать термические напряжения из-за быстрого нагрева и охлаждения, что приводит к образованию трещин. Кроме того, при слишком сильном нагреве происходит испарение компонентов вольфрама и сплава, что ухудшает качество материала.
• Поскольку вольфрам обладает высокой вязкостью и высоким поверхностным натяжением, расплавленный металл не растекается равномерно. В результате часть порошка остается в виде порошка, а газ проникает в металл, образуя поры и снижая его прочность.
• Если форма и размер частиц вольфрамового порошка различаются, лазерное облучение будет неравномерным. Кроме того, если порошок не растекается плавно, это приводит к неравномерному распределению порошка на разных участках. Таким образом, плотность, создаваемая лазером, становится неравномерной, что вызывает колебания точности размеров и прочности.

Разрешение

• Порошок, полученный методом низкотемпературной распылительной сушки.

  Порошки вольфрама обычно получают высокотемпературным методом, например, плазменной сфероидизацией. Однако этот процесс дорогостоящий и сопряжен с трудностями в контроле гранулярности и формы. Если текучесть и форма порошка не соответствуют требованиям, равномерное плавление при SLM невозможно, что увеличивает количество дефектов. Поэтому в данном исследовании мы смешали порошок вольфрама с водой и связующим веществом, чтобы получить густую жидкость (суспензию), порошок которой можно равномерно распределить. Путем распыления суспензии и высушивания ее избыточной влаги горячим воздухом можно получить сферический порошок со свойствами, подходящими для процесса SLM.

• Низкоэнергетический SLM

  Традиционный метод селективного лазерного плавления (SLM) требует чрезвычайно высокой энергии для расплавления вольфрама. Однако это приводит к термическим напряжениям, трещинам и испарению элемента. В данном исследовании было установлено, что когда отношение плотности энергии (определяемой мощностью лазера и условиями) к скорости сканирования (скорости работы лазера) становится равным 2 или ниже, температурный градиент уменьшается, а образование трещин предотвращается. Согласно условиям, описанным в данной работе, количество трещин уменьшается на 78%.

2) Мультимодальная визуализация дефектов деталей из чистого вольфрама, напечатанных методом электронно-лучевой порошковой наплавки.

Ссылка:

Чжан, Х., Каррьер, П., Шнеберк, Д., Певералл, Д., Амоако, Э., Спрейберри, М., и Хорн, Т. (2025). Мультимодальная визуализация дефектов компонентов из чистого вольфрама, изготовленных методом электронно-лучевого спекания порошкового слоя. Журнал материаловедения и производительности, 34(10), 9140-9152.
https://doi.org/10.1007/s11665-025-10918-y

Темы

• Технология EB-PBF перспективна для аддитивного производства вольфрама. Однако, если в процессе печати возникают незначительные дефекты или присутствуют неровности внутри материала, сложно гарантировать качество деталей.
• Традиционные методы обнаружения неисправностей включают рентгеновскую компьютерную томографию и оптический контроль. Точное понимание внутренней структуры затруднено из-за пределов разрешения и недостаточной пропускаемости рентгеновского излучения через вольфрам.
• В условиях EB-PBF (электронно-лучевой порошковой наплавки) высокая температура и вакуум затрудняют объединение данных с датчиков и управление в реальном времени.

Разрешение

• В результате оценки с использованием следующих 4 методов: «электронная визуализация», «ближнеинфракрасная (БИК) визуализация после расплава», «рентгеновская компьютерная томография (КТ) после изготовления» и «деструктивная металлографическая визуализация», было доказано, что «электронная визуализация» является наиболее подходящим методом оценки. Электронная визуализация позволяет оценивать качество сложных деталей в режиме реального времени путем сбора и анализа электронов, испускаемых материалом, что позволяет получить тот же эффект, что и при использовании электронного микроскопа во время печати.

Компания JEOL разрабатывает функцию мониторинга обратнорассеянных электронов (BSE), которая возможна только при наличии опыта работы с электронной микроскопией. Наблюдение шероховатости расплавленной поверхности в режиме реального времени становится возможным благодаря улавливанию обратнорассеянных электронов, испускаемых электронным пучком. Технология электронного микроскопа, обнаруживающая обратнорассеянные электроны, используется для контроля качества печатной продукции, что возможно только с помощью 3D-принтера для печати металлом с электронным пучком.

* В настоящее время возможности ограничены только материалом Ti64. В будущем область применения будет включать другие материалы, такие как вольфрам.

4. Оптимальный метод аддитивного производства вольфрама

1. LB-PBF (метод лазерного спекания порошкового слоя)

Технология LP-PBF использует чрезвычайно тонкие слои (приблизительно от 20 до 50 мкм) металлического порошка и расплавляет поперечное сечение детали с помощью лазера для изготовления детали. Процесс проводится в среде аргона, где концентрация кислорода низка. Это позволяет производить тонкие вольфрамовые детали, что невозможно при использовании традиционных методов. Ведутся дополнительные работы по печати более сложных деталей с использованием чистого вольфрама или вольфрамовых сплавов.

Качество изделия, напечатанного методом LB-PBF, в значительной степени зависит от таких условий, как мощность лазера и скорость сканирования, диаметр луча, толщина порошкового слоя, интервал облучения. Кроме того, важно, насколько плотно лазерный луч контактирует с порошком и как хорошо он поглощается. Эти условия в значительной степени влияют на качество поверхности вольфрамовой детали. По сравнению с DED и EB-PBF, в LB-PBF используется меньший диаметр луча, что увеличивает температурный градиент и одновременно повышает скорость охлаждения. Следовательно, из-за температурного градиента чаще возникают трещины.

Кроме того, при лазерном расплавлении порошков возникает явление разбрызгивания порошка или его перемещения вокруг лазера. Это явление называется разбрызгиванием (явление, при котором расплавленный металл и порошок разлетаются) и денудацией (явление, при котором порошок вокруг лазера разлетается). В зависимости от условий это может привести к образованию трещин и дефектов, таких как поры, и, следовательно, к проблемам с уплотнением. Благодаря пониманию этих характеристик и правильной настройке условий, технология LB-PBF используется как передовая технология производства, позволяющая изготавливать детали даже из металлов с высокой температурой плавления.

2. EB-PBF (метод электронно-лучевого спекания порошкового слоя)

EB-PBF — это метод печати, при котором порошки расплавляются слой за слоем с помощью электронного пучка, а не лазера. Для обеспечения стабильного облучения высокоэнергетическим электронным пучком процесс проводится в вакууме. В EB-PBF порошковый слой предварительно нагревается до высокой температуры (от 1000 до 1400 °C для вольфрама) во время печати, а электронный пучок сканируется с высокой скоростью для частичного и временного спекания порошков с целью подавления отталкивания между частицами во время зарядки.

По сравнению с LB-PBF, детали, напечатанные методом EB-PBF, имеют меньшее термическое напряжение. Быстрое перемещение электронного луча по всей поверхности порошкового слоя позволяет локально контролировать нагрев и упрощает управление микроструктурой. Поэтому этот метод выгоден для стабилизации микроструктуры и предотвращения образования трещин. Однако в случае материалов со сверхвысокой температурой плавления, таких как вольфрам, критически важна термостойкая конструкция, обеспечивающая устойчивость к высоким температурам, превышающим 1000 °C, а также учет сканирования луча для предотвращения образования термических трещин во время печати. ​​Для печати таких материалов без образования трещин потребуется правильно спроектированный и оптимизированный принтер EB-PBF.

Для решения этих проблем компания JEOL, используя электронно-лучевой 3D-принтер для печати металлических деталей, смогла напечатать деталь из чистого вольфрама, сочетая уникальную термостойкую конструкцию, способную выдерживать высокие температуры, и управление сканированием луча, позволяющее избежать термического растрескивания вольфрама. Кроме того, на данный момент только компании JEOL Ltd. удалось напечатать крупную вольфрамовую деталь без каких-либо трещин.

5. Заключение

Вольфрам является ключевым материалом в таких областях, как термоядерные реакторы, аэрокосмическая промышленность, а также медицина. Однако изготовление деталей из вольфрама традиционными методами было сложной задачей. Аддитивное производство с помощью 3D-печати стало прорывом в преодолении этого ограничения, значительно расширив возможности проектирования.

С другой стороны, проблема LB-PBF заключается в недостаточной плотности из-за трещин, возникающих при быстром охлаждении. Для решения этой проблемы метод EB-PBF (метод электронно-лучевого спекания порошкового слоя) позволяет получать высокоплотные отпечатки без трещин за счет снижения температурного градиента в процессе нагрева. Электронно-лучевой металлический 3D-принтер JAM-5200EBM от компании JEOL является одним из ведущих кандидатов для практического применения в производстве изделий из вольфрама.

В будущем выбор подходящего для использования процесса и развитие технологий обеспечения качества еще больше ускорят распространение 3D-печати с использованием вольфрама.

Связанные товары

JAM-5200EBM Электронно-лучевая металлическая AM машина

Мы разработали «JAM-5200EBM» — 3D-принтер для металлизации методом электронно-лучевой порошковой плавки (EB-PBF), применив технологию электронного луча, которую мы отработали в электронных микроскопах и системах электронно-лучевой литографии для производства полупроводников.
Метод сплавления порошкового слоя позволяет производить формы с более высокой плотностью и прочностью по сравнению с другими методами 3D-принтеров для металла и может формовать сложные формы с высокой точностью. JAM-5200EBM не требует введения инертного газа во время формования, оснащен долговечным катодом и использует технологию автоматической коррекции луча высокой четкости для обеспечения высоковоспроизводимого производства. JAM-5200EBM способен формовать тугоплавкие металлы и чистую медь, которые трудно формовать с помощью лазерных принтеров.

6. Ссылки

Ли, Х., Шен, Ю., У, С., Ван, Д., и Ян, Ю. (2024). Достижения в лазерном порошковом спекании вольфрама, вольфрамовых сплавов и вольфрамовых композитов. Микромашины, 15(8), 966.
https://doi.org/10.3390/mi15080966

Говард, Л., Паркер, Г. Д., и Ю, С.-Ю. (2024). Прогресс и проблемы аддитивного производства вольфрама и сплавов в качестве материалов для плазменного нанесения покрытия. Материалы, 17(9), 2104.
https://doi.org/10.3390/ma17092104