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▲難熔金屬材料（來源網(wǎng)絡(luò))

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)，都可以快速實現(xiàn)難熔金屬材料的打印成型。

• 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(dāng)激光達到的溫度足以熔化金屬鎢時，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；

• 另外激光瞬時高溫，會導(dǎo)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(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》)

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，可提供先進的PEP工藝設(shè)備、打印服務(wù)及解決方案。

▲粉末擠出3D打?。≒EP）技術(shù)原理圖

• 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(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)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

獨立雙噴嘴3D打印設(shè)備優(yōu)勢：

• 獨立雙噴嘴設(shè)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(jié)構(gòu)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(fù)使用；
• 采用自動進料功能，可實現(xiàn)無人看守長時間打??；
• 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(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）

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99.6%。燒結(jié)后的鎢合金構(gòu)件，能達到或超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標(biāo)。

▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結(jié)件性能參數(shù)