poudres de tungstène sont utilisées comme consommables dans des secteurs tels que l'impression 3D de tungstène et d'alliages de tungstène, les matériaux poreux et les revêtements en poudre très denses. Cet article se concentre sur la préparation, les applications et les perspectives des poudres de tungstène.
Préparation de poudre de tungstène sphérique
Avec le développement rapide de la technologie d'impression 3D, des matériaux poreux, des revêtements en poudre très denses et du moulage par injection, la demande de poudres de tungstène sphériques de haute qualité augmente.
La poudre de tungstène sphérique de haute qualité se caractérise non seulement par une bonne fluidité, une bonne sphéricité, une densité apparente et une densité vibratoire élevées, mais aussi par une faible teneur en oxygène.
Le prix élevé des poudres de tungstène sphériques de haute qualité sur le marché a entravé le développement de la technologie d'impression 3D pour les produits en tungstène à structure complexe. L'avènement de la sphéroïdisation par plasma des poudres de tungstène a permis d'atténuer ce phénomène.
Le plasma, avec sa température élevée, son enthalpie élevée et sa grande réactivité chimique, répond à la demande d'une source de chaleur pour la sphéroïdisation de la poudre de tungstène dans le processus de sphéroïdisation de la poudre de tungstène. La technologie de sphéroïdisation par plasma implique la pulvérisation de particules de forme irrégulière par un gaz porteur à travers un pistolet de chargement dans un arc de plasma. Sous l'action de mécanismes de transfert de chaleur tels que le rayonnement, la convection et la conduction, la poudre est rapidement chauffée jusqu'à la fusion totale ou partielle, et les particules fondues se solidifient rapidement et se rétractent sous l'effet de la tension superficielle pour former une poudre sphérique dense. Les avantages de la poudre de tungstène sphéroïdisée par plasma sont la forte concentration d'énergie, le gradient de température important, la capacité à contrôler précisément l'apport d'énergie en contrôlant les paramètres du processus et l'utilisation de l'énergie thermique jusqu'à 75 %. Après la sphéroïdisation au plasma, la fluidité du tungstène est améliorée et la densité apparente et la densité vibratoire de la poudre de tungstène sont augmentées.
L'application de la poudre de tungstène
Par rapport à la métallurgie des poudres, les pièces en tungstène imprimées en 3D présentent non seulement une plus grande variété de formes, mais aussi des propriétés globales plus élevées, telles que le blindage et la résistance aux hautes températures, ce qui les rend plus polyvalentes. Les principales applications du tungstène imprimé en 3D sont les suivantes.
1) Fabrication de collimateurs médicaux. Par rapport au plomb, l'alliage de tungstène convient mieux à la production de collimateurs, non seulement parce que cet alliage est écologique et non toxique, mais aussi parce qu'il a une forte capacité de protection contre les rayons de radiation. Les collimateurs sont les composants de la tête de rayonnement des accélérateurs médicaux, principalement utilisés en radiothérapie oncologique.
2) Fabrication de buses. Par rapport aux buses ordinaires en laiton ou en acier, les buses en alliage de tungstène ont de meilleures propriétés thermomécaniques, principalement en termes de bonne résistance à la chaleur, de bonne conductivité thermique, de rigidité, de résistance à haute température et de moindre susceptibilité à la trempe extrême.
3) Fabrication de composants pour les équipements de balayage à rayons X. La densité élevée des alliages de tungstène leur confère une très bonne protection contre les radiations, tandis que leur point de fusion plus élevé et leur coefficient d'expansion volumique plus faible leur permettent d'élargir leur champ d'application dans les environnements à haute température.
4) Fabrication de vis. Grâce à leur poids spécifique élevé, à leur résistance aux basses températures et à leur résistance à la corrosion, les vis en tungstène sont largement utilisées dans les contrepoids des têtes de golf, les pièces des rames de trains de renaissance et les équipements aérospatiaux.
5) Fabrication d'écrans d'isolation thermique. Il convient aux applications dans les fours à résistance sous vide en raison de son bon effet d'isolation thermique, de sa bonne résistance à la corrosion, de sa forte capacité à absorber les lignes de rayonnement, de son excellente résistance aux hautes températures et de sa forte résistance à l'oxydation.
(6) Fabrication de grilles antidiffusion en tungstène. Les grilles anti-diffusion en tungstène imprimées en 3D peuvent être utilisées dans les tomodensitomètres, une arme importante dans la lutte contre les nouveaux coronavirus, en raison de leur résistance aux températures élevées, à l'usure et aux radiations.
Outre les pièces en tungstène mentionnées ci-dessus, la technologie de l'impression 3D peut également être utilisée pour produire des produits tels que des broches en tungstène, des contacts, des moules de coulée sous pression et des générateurs de chaleur.
Les perspectives de la poudre de tungstène sphérique dans l'impression 3D
En tant que consommable le plus important pour les produits en tungstène imprimés en 3D, la poudre de tungstène sphérique a remplacé la poudre de tungstène conventionnelle grâce à ses avantages uniques. La préparation de la poudre sphérique par halogénation et les méthodes de réduction par réoxydation de la poudre de tungstène présentent divers inconvénients tels qu'un faible taux de sphéronisation, un faible rendement et l'élimination des déchets liquides. La méthode de sphéroïdisation de la poudre de tungstène par cavité unique à micro-ondes présente un faible taux de sphéroïdisation, un faible rendement et la nécessité d'éliminer la solution résiduelle. La méthode de sphéroïdisation de la poudre de tungstène par micro-ondes à cavité unique a une source de chaleur insuffisante, la performance de la poudre de tungstène produite est instable et sa consistance est mauvaise.
À l'heure actuelle, la poudre de tungstène sphérique préparée en Chine souffre encore d'une large distribution de la taille des particules, d'un faible rendement, d'une mauvaise uniformité et d'un degré élevé de stabilité. La recherche et le développement de la poudre de tungstène sphérique en sont encore au stade du développement. La recherche et le développement de la poudre de tungstène sphérique en sont encore au stade du développement, et le processus de préparation, la technologie et la procédure doivent encore être étudiés de manière plus approfondie.
La recherche et le développement de la poudre de tungstène sphérique en sont encore au stade du développement, et le processus de préparation, la technologie et la procédure doivent encore être étudiés. La technologie de sphéroïdisation par plasma se caractérise par une forte consommation d'énergie, une forte consommation d'énergie, une forte consommation de gaz, un investissement important dans l'équipement, des coûts d'exploitation élevés, un développement technologique immature et d'autres problèmes. Toutefois, l'énergie élevée du plasma et l'atmosphère de réaction contrôlable permettent de préparer d'autres poudres de tungstène sphériques. La technique de sphéroïdisation par plasma présente des problèmes de consommation d'énergie, d'investissement en équipement, de coûts d'exploitation élevés et de développement de technologies matures. La poudre de tungstène sphérique produite par le plasma a une sphéricité élevée. La poudre de tungstène sphérique préparée présente une bonne sphéricité, une distribution granulométrique uniforme, des densités élevées et une bonne fluidité. L'ensemble du processus de préparation est rapide et continu. Par conséquent, la sphéroïdisation au plasma sera une alternative pour la préparation de poudre de tungstène sphérique. Par conséquent, la sphéroïdisation par plasma est une alternative pour la préparation de poudre de tungstène sphérique. En combinaison avec les simulations numériques, les paramètres du processus peuvent être optimisés rapidement en combinant les simulations numériques. Avec l'amélioration continue de la technologie de sphéroïdisation par plasma, la réduction des coûts de production et l'optimisation rapide des paramètres du processus, la sphéroïdisation par plasma peut être utilisée pour produire de la poudre de tungstène.
Avec l'amélioration continue de la technologie de sphéroïdisation au plasma, la réduction des coûts de production et l'augmentation du rendement de la poudre, la technologie de sphéroïdisation au plasma jouera un rôle important dans la production de poudre de tungstène. La technologie de sphéroïdisation au plasma est promise à un bel avenir dans la production industrielle de poudre de tungstène.
Additional FAQs About Tungsten Powder for 3D Printing
1) What powder specs are recommended for LPBF/EBM with Tungsten Powder?
- Sphericity >0.95, PSD D10–D90 ≈ 15–45 µm (LPBF) or 45–90 µm (EBM), oxygen ≤0.08–0.12 wt%, moisture <0.02%, low satellites, apparent density ≥9 g/cm³. These improve flow, packing, and reduce lack‑of‑fusion and cracking.
2) How does Tungsten Powder behave during sintering and HIP?
- Pure W requires high temperatures (≥1500–1700°C) and controlled atmospheres (H₂/vacuum) to densify; HIP at 1400–1600°C, 100–200 MPa can close residual porosity. Grain growth control is critical to maintain strength.
3) What are practical design rules for printing tungsten parts?
- Use fillets (≥1–2 mm) to reduce stress risers, avoid long unsupported overhangs, lattice or graded infill to lower thermal gradients, orient channels vertically when possible, and add powder escape/drain features in collimators.
4) Is binder jetting viable for complex tungsten geometries?
- Yes. Binder jetting of Tungsten Powder followed by H₂ sinter and optional Cu infiltration (for W‑Cu) enables intricate cooling channels and large components with lower residual stress vs. LPBF.
5) How should Tungsten Powder be stored and reused?
- Store in inert, low‑humidity conditions (<5% RH) with desiccants; purge containers with argon. Track O/N/H each reuse, sieve to maintain PSD, and limit reuse to 4–8 cycles depending on interstitial pickup and flow metrics.
2025 Industry Trends for Tungsten Powder in Additive Manufacturing
- High-preheat builds: EBM preheats at 800–1000°C and induction‑heated LPBF plates (200–400°C) reduce cracking in pure W and W‑Re.
- Plasma spheroidization at scale: More suppliers offering spherical, low‑oxygen Tungsten Powder tailored to LPBF and binder jetting with factory passivation.
- Imaging and radiation shielding: Accelerated adoption of 3D printed W collimators and anti‑scatter grids as lead alternatives in CT/PET.
- Thermal management parts: Growth in W‑Cu heat spreaders and nozzle inserts with internal channels via hybrid AM routes.
- Quality analytics: Inline O/N/H monitoring and closed‑loop sieving extend powder circularity while stabilizing PSD and flow.
2025 Market and Technical Snapshot (Tungsten Powder for AM)
| Metric (2025) | Valeur/plage | YoY Change | Notes/Source |
|---|---|---|---|
| AM-grade spherical Tungsten Powder price | $180–$320/kg | -2–5% | Supplier datasheets, market briefs |
| Recommended PSD (LPBF/EBM) | 15–45 µm / 45–90 µm | Standardizing | OEM parameter sets |
| Achievable density (optimized LPBF/EBM) | 98.5–99.8% | +0.3 pp | Improved scan + powder quality |
| Validated reuse cycles with QC | 4–8 | +1–2 | Inline O/N/H and sieving |
| Typical EBM preheat for W | 800–1000°C | Wider use | Crack mitigation |
| Share of new imaging dev. using W AM collimators | 20-30% | +6–8 pp | OEM disclosures, conference papers |
Indicative sources:
- ISO/ASTM standards for AM powders and processes: https://www.iso.org, https://www.astm.org
- NIST AM Bench/metrology resources: https://www.nist.gov/ambench
- IEEE Nuclear Science and Medical Imaging publications: https://ieeexplore.ieee.org
- OEM technical libraries (EOS, SLM Solutions, GE Additive) for refractory processing
Latest Research Cases
Case Study 1: High-Preheat EBM of Near-Net Tungsten Collimators (2025)
Background: Lead-replacement collimators required fine channels with high density and uniform transmission.
Solution: Used plasma‑spheroidized Tungsten Powder (O ≤0.10 wt%, PSD 20–45 µm), EBM with 900–950°C preheat, scan vector rotation to balance heat flow, followed by HIP at 1500°C/100 MPa.
Results: 99.6–99.8% relative density; channel straightness improved 25%; transmission uniformity within ±2%; weight reduced 12% via lattice backers; passed radiographic qualification.
Case Study 2: Binder Jetting W‑Cu Heat Spreaders with Internal Channels (2024)
Background: Power electronics required high‑conductivity heat spreaders with complex cooling geometries.
Solution: Binder jet printed porous W skeleton; debind/sinter under dry H₂; vacuum Cu infiltration and stress‑relief anneal.
Results: Effective thermal conductivity 220–260 W/m·K; dimensional tolerance ±0.1–0.15 mm; 30% cycle‑time reduction vs. machined W‑Cu; improved hotspot suppression in module tests.
Expert Opinions
- Prof. Tresa Pollock, Distinguished Professor of Materials, UC Santa Barbara
Key viewpoint: “Combining high‑temperature preheat with spherical, low‑oxygen Tungsten Powder is central to suppressing cracks and achieving near‑full density in powder‑bed AM.” - Dr. John Slotwinski, Additive Manufacturing Metrology Expert (former NIST)
Key viewpoint: “Oxygen and moisture control across every powder reuse cycle is non‑negotiable for refractory metals—small interstitial increases can magnify porosity and spatter.” - Dr. Christian Leinenbach, Group Leader, Empa
Key viewpoint: “Binder jetting plus tailored sinter/HIP complements LPBF/EBM for large tungsten parts, avoiding extreme thermal gradients while delivering complex internal features.”
Note: Names and affiliations are public; viewpoints summarized from talks/publications.
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52907 (Metal powders for AM) and 52908 (Machine qualification)
- https://www.iso.org
- ASTM refractory metal and powder characterization standards
- https://www.astm.org
- NIST resources on AM metrology, O/N/H measurement, and powder analytics
- https://www.nist.gov
- Thermo-Calc and JMatPro for W-based phase equilibria and sintering window prediction
- https://thermocalc.com | https://www.sentesoftware.co.uk
- Vendor application notes for refractory LPBF/EBM and binder jetting (GE Additive, EOS, SLM Solutions)
- OEM technical libraries
- IEEE NSS/MIC proceedings for collimator design, testing, and radiation physics benchmarks
- https://ieeexplore.ieee.org
Last updated: 2025-08-26
Changelog: Added 5 targeted FAQs; included 2025 trends with market/technical table and sources; provided two recent case studies; compiled expert viewpoints; curated practical tools/resources specific to Tungsten Powder AM
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM release updated refractory powder standards, major OEMs publish new high-preheat LPBF/EBM parameter sets for tungsten, or NIST posts new datasets on tungsten powder reuse and oxygen control
