概述

众所周知，由于具有优异的高温强度，钼金属已经成为了诸多行业不可或缺的原材料。在实际应用中，有时候需要复杂形状的零部件，但又不易于制造。通常而言，3D打印技术可以解决复杂零部件（如换热器等）的制造问题。当采用钼金属进行3D打印时，制作的零部件往往存在某些缺陷，为了解决这些缺陷问题，通过碳化钛的合金化作用制作了钼 碳化钛金属基复合粉末，使3D打印效果出现了转折。例如，使用钼-碳化钛来制作换热器等形状复杂的原型装置，这是任何其他常规制作方式所无法实现的。

钼金属和钼合金的优势

未来30年，预计全球电力需求量将会是目前的两倍。为了避免气候变化带来的最坏影响，在扩大能源生产的同时，二氧化碳排放量必须降至当前水平以下。在不增加排放的情况下增加电力供应，解决方案将是多种多样的，但主要通过提高发电设备内部的运行温度，从而提升其效率。例如，将核反应堆内部的温度从900℃提高到1000℃，将使效率提升10%。

尽管此举有利于减少排放和降低成本，但在材料科学领域却产生了一个难题：只有少数几种材料可以作为制造在高温下工作的发电设备的候选材料。钼的熔点（2622℃）是现有金属元素中最高的，钼金属和钼基合金所能承受的高温，将使其他材料发生变形或熔化。最重要的是，在高温下仍能保持其形状和强度。尽管铼和铌等金属也可以经受极端温度的考验，但在自然资源储备上远没有钼那么丰富，且价格昂贵，可能带来供应方面的风险。钼金属有时与碳复合材料一起使用，在高温下具有更高的稳定性。但碳复合材料的设计和制造成本高且耗时，因此，科学界依旧将钼金属视为一种解决方案，但它也存在一定问题。

打印模式的转变

目前，在高度专业化的工业领域，越来越多的零部件通过增材制造（AM）方式进行生产，也被称作3D打印。增材制造起源于20世纪80年代中期，旨在加速产品原型的开发。其工艺特点是在微观层面上将多层材料融合在一起。打印机依据计算机三维模型，通过层积成型，制作出精确的复制品。

与铣削、切割、钻孔和研磨等传统减材制造工艺不同，增材制造几乎不会产生任何浪费。通常只需在计算机上修改设计方案即可，因此采用增材制造方式来生产复杂形状零部件更具成本效益。一些用传统制造工艺很难甚至不可能实现的设计，比如带有中空部分的零部件，就可以通过3D打印来实现。

航空航天、国防和能源行业需要的复杂形状零部件可以使用钼金属3D打印而成，由此可提升热效率，意味着可以使用更少的资源产生更多的电力。然而，3D打印的钼金属零部件面临的缺陷之一就是可能会失去力学性能和稳定性，从而使其无法使用。这是因为在不适当的打印条件下，钼金属和钼基合金的3D打印成型件很容易形成气孔和裂纹等缺陷。

不过，通过精准控制3D打印过程，就可以用钼金属和钼基合金 （如碳化钛钼基合金）生产出性能均匀稳定、高质量无裂纹的零部件。目前，美国橡树岭国家实验室正在与相关方合作，对钼金属和钼基合金零部件进行规模试制。

无裂纹产品

这种制造工艺使用一种名为“粉末床熔融（PBF）”的增材制造方法（见图1），将粉状物料熔化成固体。PBF需要用激光或电子束来熔化和融合粉末状材料，研究人员使用了后一种方法，从而更好地控制打印过程的温度变化。由于钼金属在加工过程中容易出现缺陷，相关PBF工艺尚未在商业规模上取得成功，但最近的研究表明，这种情况可能很快就会改观。

近期，研究人员证实，PBF工艺可以制作出具有独特晶粒组织的高质量钼金属，这是传统的钼金属制造路线无法实现的。PBF工艺的进步使钼金属能够成功地被打印制成核热推进系统所用的结构部件。

金属陶瓷

除了钼金属，研究人员还成功制造出了钼 碳化钛金属基复合粉末（见图2），在材料科学术语中，被称为“金属陶瓷”。为了制造这种金属陶瓷，研究人员将60%的钼粉和40%的碳化钛原料粉末进行机械合金化处理，并进行了打印成型，打印成型件未检测到任何缺陷。这类材料的成功生产，对于要求材料在极端环境，如超临界二氧化碳条件下运行的能源系统，具有推动其进步的潜力。

其他研究团队也取得了可喜成果。2019年，北京理工大学为航天工业用的离子推进器开发了3D打印钼金属部件。研究团队还将钼金属粉末和碳化钛粉末结合在一起，形成了稳定的、抗氧化的复合材料。这种复合方法产生了积极的结果，不仅适用于纯钼金属，也适用于其他含钼合金。新加坡的一个研究团队将二硼化钛纳米颗粒与含钼的镍基合金Inconel 625混合，也产生了较好的可打印性。这些进展进一步证明了未来大幅提高3D打印钼金属和含钼合金部件的可行性。这些项目展示了钼的独特性质及其在全球脱碳化进程中日益增长的价值。

核反应堆等热电厂效率的提高取决于优质材料的开发，特别是那些具有高温强度的材料。钼可以说是相关应用的最佳候选材料。采用3D打印技术将材料打印出工业所需形状的能力，今后将有助于减少资源消耗，同时产生更多的电力。（罗晔 曾雄峰）