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3D打印為難熔金屬?gòu)?fù)雜產(chǎn)品制造帶來(lái)新視角

升華三維 2024-10-30 | 閱讀：206

傳統(tǒng)制備難熔金屬工藝及發(fā)展現(xiàn)狀

難熔金屬材料具有良好的高溫力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，主要包括鎢(W)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、錸(Re)等元素。常用于制備耐熱部件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。傳統(tǒng)工藝主要有鑄造、鍛造、粉末冶金、等離子燒結(jié)等，作為成熟的成型工藝在制造難熔金屬產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用。然而，難熔金屬具有高熔點(diǎn)高硬度的特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的加工方式制備大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí)存在加工困難或無(wú)法加工等問(wèn)題。

▲高純難熔金屬材料示意圖 @網(wǎng)絡(luò)

目前、難熔金屬材料正向著更高純度的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足電子、航空、航天等領(lǐng)域?qū)Ω呒儾牧系男枨?。而在成型方面，近凈成型技術(shù)是近幾年重點(diǎn)發(fā)展方向，以減少后續(xù)加工步驟，提高材料利用率和生產(chǎn)效率。如金屬注射成形、高能?chē)娡砍尚巍?D打印等，這些技術(shù)有助于制造形狀復(fù)雜的高性能部件。

難熔金屬3D打印技術(shù)及存在問(wèn)題

3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)的綠色智能數(shù)字制造技術(shù)，其材料利用率高，無(wú)需模具即可成型復(fù)雜構(gòu)件，在航空航天、汽車(chē)模具、核電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這為難熔金屬加工制造提供了新方法。相較于傳統(tǒng)工藝制備難熔金屬，3D打印能夠經(jīng)濟(jì)且高效地成形復(fù)雜形狀的高精密部件?，F(xiàn)階段用于制備難熔金屬的3D打印工藝主要有基于粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）的直接3D打印，以及采用間接金屬3D打印的粉末擠出打印技術(shù)（PEP），這些技術(shù)都可以快速實(shí)現(xiàn)難熔金屬材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化快速成型制造。

▲粉末床熔融3D打印 @網(wǎng)絡(luò)

PBF和DED這類(lèi)直接3D打印技術(shù)，在加工難熔金屬時(shí)仍存在一定問(wèn)題：

高熔點(diǎn)材料需要更高功率的激光器，投入成本相對(duì)更高；
而如鎢合金的鎢和粘結(jié)相鎳、鐵、銅等金屬元素的熔點(diǎn)相差較大，當(dāng)激光達(dá)到的溫度足以熔化金屬鎢時(shí)，粘結(jié)相如Ni、Fe元素會(huì)蒸發(fā)，從而導(dǎo)致Ni和Fe成分變化，合金成分不可控；
另外激光瞬時(shí)高溫，會(huì)導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大，影響合金性能；
同時(shí)高溫溫場(chǎng)的不穩(wěn)定性產(chǎn)生的濺灑現(xiàn)象，也會(huì)形成結(jié)構(gòu)上的孔洞、裂紋等缺陷，不適合高性能難熔金屬結(jié)構(gòu)件的制造。

▲激光打印飛濺形象 @3D打印技術(shù)參考

PEP工藝制備難熔金屬的特點(diǎn)

PEP技術(shù)是由升華三維提出的“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的間接3D打印技術(shù)。采用了成型與燒結(jié)分開(kāi)處理的工藝，通過(guò)3D打印機(jī)制備結(jié)構(gòu)形狀，再通過(guò)粉末冶金的脫脂燒結(jié)工藝進(jìn)行后處理，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。為制備高性能難熔金屬產(chǎn)品提供了一種更經(jīng)濟(jì)的增材制造方法。

▲PEP工藝制備的難熔金屬?gòu)?fù)雜填充結(jié)構(gòu) @升華三維

PEP的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

性能一致性好：PEP技術(shù)具有低溫成型、高溫成性的特性，能有效解決難熔金屬3D打印過(guò)程中出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問(wèn)題，確保產(chǎn)品性能一致性。
成本效益高：打印設(shè)備采用顆粒熔融擠出方式，不需要昂貴的高能量激光器件，同時(shí)可結(jié)合傳統(tǒng)工藝的脫脂燒結(jié)設(shè)備，能極大地減少投入成本。
材料適應(yīng)性強(qiáng)：PEP可采用0.2-100μm的難熔金屬及其合金粉末材料配置3D打印喂料；

▲PEP可打印的難熔金屬及其合金材料 @升華三維

快速開(kāi)發(fā)與商業(yè)化：相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝，PEP技術(shù)充分發(fā)揮了3D打印的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)難熔金屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制備，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與商業(yè)化時(shí)間。

3D打印制備難熔金屬的應(yīng)用前景展望

利用3D打印技術(shù)來(lái)制備自由幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難熔金屬具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。3D打印的難熔金屬結(jié)構(gòu)件具有更加細(xì)小的微觀組織，其力學(xué)性能能優(yōu)于傳統(tǒng)加工方式制備的同種材料制品。難熔金屬有著廣泛的應(yīng)用前景，如鎢合金、多孔鉭等難熔金屬材料已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域。

但如何防止3D打印難熔金屬結(jié)構(gòu)件中出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷是其面臨的主要技術(shù)難題，這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。
另外目前3D打印難熔金屬的工藝仍不夠成熟，制造流程、評(píng)價(jià)體系沒(méi)有形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以形成相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)，是促進(jìn)3D打印難熔金屬?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的關(guān)鍵。
加強(qiáng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)對(duì)3D打印制備難熔金屬能力的認(rèn)知，將為難熔金屬在應(yīng)用場(chǎng)景上帶來(lái)新的視角，對(duì)拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的意義。

▲PEP工藝制備的難熔金屬應(yīng)用樣品 @升華三維

而PEP技術(shù)在制造高性能的難熔金屬部件方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)和潛力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在難熔金屬的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。升華三維現(xiàn)已攻克難熔金屬產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造等難題，具備了喂料開(kāi)發(fā)、成型裝備、脫脂、燒結(jié)等完整3D打印工藝。目前已為航空航天、國(guó)防、核工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域提供難熔金屬3D打印解決方案及打印服務(wù)。