增材制造之纯钨偏滤器模块

增材制造是一种新型加工技术，区别于传统的“去除型”制造，不需要原胚和模具，直接根据零件的计算机三维模型数据，通过逐层增加材料的方法形成任何复杂形状的物体，如今，人们赋予了增材制造一个时髦的名字——3D打印。

纯钨是一种难熔金属，具有高熔点、高密度、高温强度和高硬度等特性，被广泛应用于航空航天、国防武器、聚变能源等领域。但是由于钨的熔点 和热导都比较高，在热源作用下熔滴的铺展/凝固行为较为复杂，很难实现完全致密，因此纯钨的增材成型工艺和方法一直未获得突破。

路再难也拦不住研究人员的创造性思维，随着时间的推移，各具特色的纯钨增材制造方案不断涌现，例如有学者一种纯钨金属的增材制造3D打印方法，方案基于选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)或粉末床激光熔融，采用特殊的预处理方法和过程工艺措施保证纯钨金属的致密成 型，工艺新颖，潜力巨大。例如：使用3D打印纯钨技术用于制造人造太阳ITER托卡马克装置纯钨偏滤器模块验证件：

1)筛选和配比钨粉体颗粒

取表面无杂质和氧吸附的球形纯钨粉体颗粒，筛选出钨粉体大颗粒和钨粉体小颗粒，钨粉体大颗粒的中值粒径为18.3μm，钨粉体小颗粒的中值粒径为2.1μm，钨粉体小颗粒与钨粉体大颗粒的粒度比为0.11，将钨粉体小颗粒与钨粉体大颗粒3：7混合，得到混合粉体，向混合粉体中加入镧和炭黑，加入La的质量为混合粉体质量的0.3％， 加入碳黑的质量为混合粉体质量的0.3％，

2)激光成型与重熔

A、在工作平台上安装多层复合铁-隔热材料-钨基板，预热至300℃并在 激光成型与重熔过程中保持此温度,铺粉刮刀与多层复合铁-隔热材料-钨基 板的间隙为30μm；在氩气保护的手套箱中，将1)制备的混合粉体填装到粉 体料仓中。

B、密封成形腔体，抽真空至相对真空度为-90KPa，向成形腔体内输入保护性气体氩气；反复抽真空与输入保护性气体氩气，使成形腔体内氧含量 降至300ppm以下。

C、用激光对多层复合“钢-隔热材料-钨”基板“牺牲区域4”进行扫描，消耗成型腔体内残留氧，直至氧含量降至50ppm以下；

D、铺粉机构将粉体料仓中的混合粉体送入多层复合“钢-隔热材料-钨” 基板上,并由铺粉刮刀铺平，得厚度30μm的混合粉体薄层；

E、开始成型，通过高能激光束熔化成型切片区域1的混合粉体，在30min 内，成型腔体内氧含量降至＜1ppm，并在激光成型与重熔过程中成型腔体内 氧含量始终＜1ppm；激光功率大于400W，点距50μm，曝光时间280μs，扫描间距110μm。

F、不铺混合粉体，激光重新扫描重熔。激光重熔的扫描方向与成型的 扫描方向夹角为90°；参数与E相同。

G、重熔完成后，工作平台下降一个切片厚度30μm；

H、重复步骤E-G，直至整个零件成形完毕，得到托卡马克装置纯钨偏滤器模块验证件。

方案通过采用球形钨粉体配比优化和成型工艺措施保证，解决纯钨金属增材制造中存在的熔滴状态不稳定、 球化、缺陷孔洞较多等问题，提高成型致密度和部件性能，相对于传统的钨合金烧结方法，增材制造可以节约大量的时间和成本。

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