タングステン粉 は、タングステンやタングステン合金の3Dプリンティング、多孔質材料、高密度粉末コーティングなどの産業で消耗品として使用されている。本稿では、タングステン粉末の調製、用途、展望に焦点を当てる。
球状タングステン粉末の調製
3Dプリンティング技術、多孔質材料、高密度粉末コーティング、射出成形の急速な発展に伴い、高品質の球状タングステン粉末の需要が増加している。
高品質の球状タングステン粉末は、良好な流動性、良好な真球度、高い見かけ密度、振動密度、低酸素含有量だけではありません。
市場に出回っている高品質の球状タングステン粉末の価格が高いことが、複雑な構造を持つタングステン製品の3Dプリンティング技術のさらなる発展を妨げてきた。タングステン粉末のプラズマ球状化の出現により、この現象が緩和されました。
高温、高エンタルピー、高化学反応性を持つプラズマは、タングステン粉末球状化プロセスにおけるタングステン粉末球状化のための熱源の需要を満たしています。プラズマ球状化技術は、プラズマアークにチャージングガンを介してキャリアガスによる不規則な形状の粒子の噴霧が含まれます。輻射、対流、伝導などの熱伝達機構の作用の下で、粉末は全体または部分的な溶融に急速に加熱され、溶融粒子が急速に凝固し、表面張力の下で収縮し、緻密な球状粉末を形成する。プラズマ球状化タングステン粉末の利点は、エネルギーの高濃度、大きな温度勾配、プロセスパラメータを制御することにより、正確にエネルギー入力を制御する能力、および最大75％の熱エネルギー利用率です。プラズマ球状化後、タングステンの流動性が改善され、タングステン粉末の見かけ密度と振動密度が増加している。
タングステンパウダーの用途
粉末冶金に比べ、3Dプリントタングステン部品は形状のバリエーションが豊富なだけでなく、遮蔽性や耐高温性など総合的な特性も高く、汎用性が高い。3Dプリントタングステンの主な用途は以下の通りです。
1）医療用コリメーターの製造。タングステン合金は環境に優しく、無毒であるだけでなく、放射線から保護する強力な能力を持っているので、鉛の金属に比べて、コリメーターの製造に適しています。コリメータは、主に腫瘍放射線治療で使用される医療用加速器の放射線ヘッドの構成部品です。
2）ノズルの製造。通常の真鍮や鋼のノズルと比較して、タングステン合金のノズルは、良好な耐熱性、良好な熱伝導性、剛性、高温強度、および極端な焼戻しの影響を受けにくい、主に優れた熱機械的特性を持っています。
3) X線スキャン装置用部品の製造。タングステン合金は密度が高いため放射線防護に非常に優れ、融点が高く体積膨張係数が低いため高温環境下でも使用できる。
4）ねじの製造タングステンは比重が大きく、低温に強く、耐食性に優れているため、ゴルフヘッドのカウンターウェイト部品、リバイバルトレインの部品、航空宇宙機器などに広く使用されている。
5) 断熱スクリーンの製造良好な断熱効果、良好な耐食性、強力な輻射線吸収能力、優れた耐高温性、強力な耐酸化性により、真空抵抗炉への適用に適している。
(6) タングステン飛散防止グリッドの製造。3Dプリンターで製造されたタングステン飛散防止グリッドは、高温耐性、耐摩耗性、強い耐放射線性により、新型コロナウイルスとの闘いにおける重要な武器であるCTスキャナーでの使用に適している。
上記のタングステン部品に加え、3Dプリント技術は、タングステンピン、接点、ダイカスト金型、熱発生器などの製品の製造にも使用できる。
3Dプリンティングにおける球状タングステン粉末の展望
3Dプリントタングステン製品のための最も重要な消耗品として、球状タングステン粉末は、そのユニークな利点と、従来のタングステン粉末を置き換えています。ハロゲン化とタングステン粉末再酸化還元法による球状粉末の調製は、低球状化率、低収率、廃液処理などの様々な欠点があります。タングステン粉末を球状化するマイクロ波単一キャビティ法は、球状化率が低く、収率が低く、廃液処理が必要である。タングステン粉末を球状化するマイクロ波単一キャビティ法は、熱源が不十分であり、生成されたタングステン粉末の性能が不安定であり、一貫性が悪い。
現在、中国で調製された球状タングステン粉末はまだ広い粒度分布、低い収率、悪い均一性、および安定性の高い程度に苦しんでいる。球状タングステン粉末の研究と開発はまだ開発段階にある。球状タングステン粉末の研究開発はまだ開発段階にあり、調製プロセス、技術、および手順はまださらに研究する必要があります。
球状タングステン粉末の研究と開発はまだ開発段階にあり、調製プロセス、技術、手順はまださらに研究する必要があります。プラズマ球状化技術は、エネルギー消費量が多い、ガス消費量が多い、設備投資額が大きい、運転コストが高い、技術開発が未成熟などの問題がある。しかし、プラズマの高エネルギーと制御可能な反応雰囲気は、他のプラズマ球状化技術の調製を可能にする。プラズマ球状化技術は、エネルギー消費、設備投資、高い運用コスト、成熟した技術開発などの問題を抱えている。プラズマによって生成された球状タングステン粉末は、高い真球度を有する。調製された球状タングステン粉末は、良好な真球度、均一な粒度分布、高い密度と良好な流動性を持っています。全体の準備プロセスは、高速かつ連続的である。したがって、プラズマ球状化は、球状タングステン粉末の調製のための代替となります。したがって、プラズマ球状化は、球状タングステン粉末の調製のための代替手段です。数値シミュレーションを組み合わせることにより、プロセスパラメータを迅速に最適化することができます。プラズマ球状化技術の継続的な改善、生産コストの削減、およびプロセスパラメータの迅速な最適化により、プラズマ球状化は、タングステン粉末を製造するために使用することができます。
プラズマ球状化技術の継続的な改善、生産コストの削減、および粉末の収率の増加により、プラズマ球状化技術は、タングステン粉末の生産に重要な役割を果たすだろう。プラズマ球状化技術は、タングステン粉末の周期化の工業生産の明るい未来を持っています。
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) | 値/範囲 | 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
