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傳統(tǒng)工藝限制了難熔金屬的應用發(fā)展

難熔金屬通常指鎢、錸、鉭、鉬、鈮、銥、釩等，這類金屬具有熔點高、硬度大、抗蝕性強、導電性好等優(yōu)異性能，被應用于航空航天、國防工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)療等領域。難熔金屬由于熔點高、高溫強度大的特點，非常難以通過傳統(tǒng)制造方法進行加工。長期以來一直僅限于工件形狀相對簡單、材料去除量極少、無法按理想的設計需求實現(xiàn)制備。給制備復雜結構的難熔金屬構件帶來了挑戰(zhàn)，嚴重限制了難熔金屬材料的應用發(fā)展。

▲難熔金屬材料（來源網(wǎng)絡)

3D打印難熔金屬工藝及存在的不足

相較于傳統(tǒng)工藝制備難熔金屬，增材制造技術能夠經(jīng)濟且高效地成形復雜形狀的高精密部件。據(jù)《難熔金屬材料增材制造工藝研究進展》總結近5年來增材制造制備難熔金屬的研究情況表明，用于難熔金屬制備的3D打印工藝主要涉及SLS、SLM、EBSM、LMD、WAAM這幾種技術，都可以快速實現(xiàn)難熔金屬材料的打印成型。

▲難熔金屬3D打印工藝及應用材料（來源《COPPER ENGINEERING》)

但這類利用電子束、電弧、激光等作為加工熱源的3D打印技術，在加工難熔金屬時仍存在一定的不足：

• 高熔點材料需要更高功率的激光器，投入成本相對更高；

• 而如鎢合金的鎢和鎳、鐵、銅等金屬元素的熔點相差較大，當激光達到的溫度足以熔化金屬鎢時，粘結相如Ni、Fe元素會蒸發(fā)，從而導致Ni和Fe成分變化，成分不可控；

• 另外激光瞬時高溫，會導致晶粒異常長大，影響合金性能；

• 同時高溫溫場的不穩(wěn)定性產(chǎn)生的濺灑現(xiàn)象，也會形成結構上的孔洞、裂紋等缺陷，不適合高性能鎢等難熔金屬結構件的制造。

▲不同方向鎢單激光熔融軌跡開裂的SEM圖像，(a)頂面；(b)側面（來源《COPPER ENGINEERING》)

升華三維為難熔金屬制造提供3D打印解決方案由升華三維提出的“3D打印+粉末冶金”相結合的間接3D打印技術——粉末擠出打印技術（PEP）。為高性能難熔金屬結構提供了一種更經(jīng)濟的增材制造方法。采用金屬粉體適配粘結劑配置成顆粒喂料，通過3D打印設備制備成型，再經(jīng)過粉末冶金的脫脂燒結工藝進行后處理，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結構件。適用于生產(chǎn)復雜、高性能的難熔金屬結構件，可提供先進的PEP工藝設備、打印服務及解決方案。

▲粉末擠出3D打?。≒EP）技術原理圖

PEP的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

• 采用打印與燒結分開的工藝模式，打印設備利用了螺桿擠出系統(tǒng)，不需要昂貴的高能量激光器件，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)用戶還可以利用原有的脫脂燒結設備，能極大地減少投入成本。

• PEP具有低溫成型、高溫成性的特性，可有效地解決其他3D打印難熔金屬過程中極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產(chǎn)品性能一致性。

• 相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝，充分發(fā)揮了3D打印的優(yōu)勢，實現(xiàn)難熔金屬復雜結構的快速制備，可加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時間。

早在2021年，升華三維就發(fā)表了《采用粉末擠出3D打印技術制備高性能96W-2.7Ni-1.3Fe合金零件》的科研成果，以解決難熔金屬成型難的問題。該研究成果是升華三維、天津大學材料學院、中南大學粉末冶金研究院共同完成，相關成果發(fā)表在Materials Science & Engineering A 上。

其研究結果表明：

1. PEP技術是通過“3D打印”和“高溫燒結”相結合的新技術，可以制備高比重鎢合金。

2. 通過兩步燒結法，可獲得最佳燒結性能。96W-2.7Ni-1.3Fe的密度可達99.2%±0.2%，且拉伸強度為801MPa,延伸率為22.1%。

3. 熱處理后，性能進一步提高拉伸強度為838MPa，延伸率達到了26.1%。

4. 成分精確可控，無論是在燒結過程還是熱處理過程，都不會產(chǎn)生脆性相。

▲不同燒結條件下的硬度和相對密度

PEP技術制備難熔金屬主要工藝說明

打印材料制備

PEP技術在制備難熔金屬方面的應用和研究已經(jīng)取得一定成就，現(xiàn)已支持多種難熔金屬材料的3D打印，不同材料可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)而得到高致密的結構件。升華三維擁有為PEP工藝制備打印材料的專業(yè)密煉造粒設備，主要采用蠟基粘結劑體系為難熔金屬3D打印材料開發(fā)提供支持。

以UPGM-93WNiFe打印材料為例，采用了粒徑為2-3μm的鎢粉，喂料粒徑在2-4mm之間，粉體裝置量為47vol.%，鎢合金打印材料具有高密度、高質(zhì)量、低成本等優(yōu)勢，可用于高比重鎢合金復雜結構件的開發(fā)制造。

▲升華三維UPGM-93WNiFe打印材料

3D打印成型

升華三維提供兩款獨立雙噴嘴3D打印機為穩(wěn)定制備大尺寸鎢合金等難熔金屬復雜結構件提供支撐。該設備采用顆粒熔融擠出成型方式，可打印出具備一定密度和強度的生坯。

獨立雙噴嘴3D打印設備優(yōu)勢：

• 獨立雙噴嘴設計，可同時或輪流打印不同材料；

• 顆粒擠出打印方式，可制備中空結構產(chǎn)品，無需清粉；

• 可基于MIM工藝的材料進行二次開發(fā)適配，且材料可重復使用；

• 采用自動進料功能，可實現(xiàn)無人看守長時間打?。?/span>

• 自動刷嘴功能，保證打印外觀及質(zhì)量；

• 無需氣氛，辦公環(huán)境即可使用；

• 具有熱風腔體恒溫系統(tǒng)和真空吸附平臺，可有效防止翹邊現(xiàn)象。

▲升華三維打印鎢合金樣品（生坯）

燒結獲得性能

打印完成的生坯需要經(jīng)過脫脂和燒結才能獲得性能?；赑EP技術路線，升華三維已摸索出適合鎢合金等難熔金屬的燒結工藝，并可根據(jù)客戶粉體物性調(diào)整燒結參數(shù)。因燒結溫度低于其他類型的激光3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加，從而確保了產(chǎn)品性能的一致性。

▲升華三維打印鎢合金樣品（燒結）

以下為UPGM-93WNiFe材料的燒結性能說明，通過PEP打印-脫脂-燒結制備的鎢合金相對密度可達99.6%。燒結后的鎢合金構件，能達到或超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標。

▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結件性能參數(shù)

升華三維著眼于難熔金屬及其合金材料的開發(fā)和應用制造。在傳統(tǒng)粉末冶金基礎上，升華三維項目團隊全面攻克了難熔金屬產(chǎn)品的快速開發(fā)及復雜結構制造等難題。現(xiàn)已掌握了難熔金屬間接3D打印的打印裝備、成形材料、工藝及軟件等關鍵技術，成功開發(fā)了多個品種的難熔金屬及其合金的打印材料，并順利向航空航天、國防工業(yè)、核工業(yè)等應用領域的多家科研院所，提供難熔金屬增材制造解決方案及打印服務。