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傳統(tǒng)工藝限制了難熔金屬的應(yīng)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(diǎn)高、硬度大、抗蝕性強(qiáng)、導(dǎo)電性好等優(yōu)異性能，被應(yīng)用于航空航天、國防工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。難熔金屬由于熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度大的特點(diǎn)，非常難以通過傳統(tǒng)制造方法進(jìn)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(shè)計(jì)需求實(shí)現(xiàn)制備。給制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難熔金屬構(gòu)件帶來了挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了難熔金屬材料的應(yīng)用發(fā)展。

▲難熔金屬材料（來源網(wǎng)絡(luò))

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(shù)能夠經(jīng)濟(jì)且高效地成形復(fù)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(jìn)展》總結(jié)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(shù)，都可以快速實(shí)現(xiàn)難熔金屬材料的打印成型。

▲難熔金屬3D打印工藝及應(yīng)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(shù)，在加工難熔金屬時(shí)仍存在一定的不足：

• 高熔點(diǎn)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(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元素會蒸發(fā)，從而導(dǎo)致Ni和Fe成分變化，成分不可控；

• 另外激光瞬時(shí)高溫，會導(dǎo)致晶粒異常長大，影響合金性能；

• 同時(shí)高溫溫場的不穩(wěn)定性產(chǎn)生的濺灑現(xiàn)象，也會形成結(jié)構(gòu)上的孔洞、裂紋等缺陷，不適合高性能鎢等難熔金屬結(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)合的間接3D打印技術(shù)——粉末擠出打印技術(shù)（PEP）。為高性能難熔金屬結(jié)構(gòu)提供了一種更經(jīng)濟(jì)的增材制造方法。采用金屬粉體適配粘結(jié)劑配置成顆粒喂料，通過3D打印設(shè)備制備成型，再經(jīng)過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。適用于生產(chǎn)復(fù)雜、高性能的難熔金屬結(jié)構(gòu)件，可提供先進(jìn)的PEP工藝設(shè)備、打印服務(wù)及解決方案。

▲粉末擠出3D打印（PEP）技術(shù)原理圖

PEP的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

• 采用打印與燒結(jié)分開的工藝模式，打印設(shè)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(jié)設(shè)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(shí)現(xiàn)難熔金屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制備，可加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時(shí)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(shù)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(xué)材料學(xué)院、中南大學(xué)粉末冶金研究院共同完成，相關(guān)成果發(fā)表在Materials Science & Engineering A 上。

其研究結(jié)果表明：

1. PEP技術(shù)是通過“3D打印”和“高溫?zé)Y(jié)”相結(jié)合的新技術(shù)，可以制備高比重鎢合金。

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

3. 熱處理后，性能進(jìn)一步提高拉伸強(qiáng)度為838MPa，延伸率達(dá)到了26.1%。

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

▲不同燒結(jié)條件下的硬度和相對密度

PEP技術(shù)制備難熔金屬主要工藝說明

打印材料制備

PEP技術(shù)在制備難熔金屬方面的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)備，主要采用蠟基粘結(jié)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)為穩(wěn)定制備大尺寸鎢合金等難熔金屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供支撐。該設(shè)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(qiáng)度的生坯。

獨(dú)立雙噴嘴3D打印設(shè)備優(yōu)勢：

• 獨(dú)立雙噴嘴設(shè)計(jì)，可同時(shí)或輪流打印不同材料；

• 顆粒擠出打印方式，可制備中空結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，無需清粉；

• 可基于MIM工藝的材料進(jìn)行二次開發(fā)適配，且材料可重復(fù)使用；

• 采用自動(dòng)進(jìn)料功能，可實(shí)現(xiàn)無人看守長時(shí)間打印；

• 自動(dòng)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(fēng)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(jié)獲得性能

打印完成的生坯需要經(jīng)過脫脂和燒結(jié)才能獲得性能?；赑EP技術(shù)路線，升華三維已摸索出適合鎢合金等難熔金屬的燒結(jié)工藝，并可根據(jù)客戶粉體物性調(diào)整燒結(jié)參數(shù)。因燒結(jié)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(jié)）

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

▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結(jié)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(yīng)用制造。在傳統(tǒng)粉末冶金基礎(chǔ)上，升華三維項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)全面攻克了難熔金屬產(chǎn)品的快速開發(fā)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)，成功開發(fā)了多個(gè)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(yīng)用領(lǐng)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(wù)。