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2024年，對于升華三維來說是跌宕起伏的一年，但隨著PEP技術在應用領域的深入發(fā)展，應用潛力也得以發(fā)揮。在設備方面，基于PEP我們推出可實現(xiàn)梯度結構材料打印的3D打印設備，以滿足高?？蒲性核谔荻裙δ懿牧霞爱a品開發(fā)上的需求；在金屬材料應用方面，積極推動增材與傳統(tǒng)制造的融合發(fā)展，在難熔金屬、硬質合金及金屬復合材料等拓展了諸多應用場景；針對難加工金屬材料，公司推出了難熔金屬3D打印服務方案，為超高溫金屬產品提供了一種更經濟的增材制造方法。本文，將為大家分享升華三維這一年來在金屬材料3D打印的應用進展。

特種金屬材料的應用研究

航天燃燒室隨形流道一體化組件制備

在空間動力系統(tǒng)領域，難熔金屬因能夠在極端高溫環(huán)境下保持機械性能，可應用于火箭發(fā)動機的渦輪葉片、燃燒室、噴嘴等。該應用開發(fā)產品為空間動力系統(tǒng)的熱端部件，采用隨形流道一體化設計，用于客戶開發(fā)難熔金屬航天燃燒室的認證組件。

該案例客戶前期采用鎢合金喂料來認證項目的應用需求，目前已進一步采用PEP制備鉬、鉭等高溫部件，從而探尋最佳解決方案。PEP采用低溫成型、高溫成性方式，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，且能確保產品性能的一致性。采用PEP工藝來制備難熔金屬熱端部件，具有廣泛應用前景和極高商業(yè)價值。

▲鎢合金推進器組件 ?升華三維核工業(yè)用難熔金屬多孔過濾組件

核工業(yè)領域需要使用鎢、鉬等難熔金屬制造部件以適應其極端環(huán)境。升華三維PEP技術能夠使得難熔金屬多孔過濾組件實現(xiàn)快速一體化成形，大大優(yōu)化了產品結構和使用效率。PEP工藝在核工業(yè)領域已實現(xiàn)商業(yè)化，能大幅降低核反應裝置的應用開發(fā)和制造成本。

該批制備的鎢合金過濾組件已完成交付，并獲得了客戶的認可。后續(xù)將共同突破更多難熔金屬材料的制備，以加快新型組件的開發(fā)與生產。

▲新型核工業(yè)多孔過濾組件燒結樣品 ?升華三維難熔金屬推進器組件近凈尺寸制備

鎢等難熔金屬，可以抵抗高溫壓力而保持其強度和形狀，是火箭、高超音速和噴氣推進應用的理想選擇。升華三維PEP技術能夠很好彌補其他工藝制造難熔金屬的不足，可解決難熔金屬快速開發(fā)及復雜結構制造等難題。

客戶首次采用鎢合金來認證該推進器組件的需求，燒結件性能經過測試可滿足應用要求。目前已經在如鈮等其他難熔金屬材料進入結構性能進行小批量制備。PEP為在極端溫度應用的空間推進器組件提供了理想的增材制造方案。

▲鎢合金推進器組件 ?升華三維鎢合金工業(yè)組件一體化制備

鎢合金因其熔點高、硬度大等特點，傳統(tǒng)工藝很難加工，甚至無法制備出形狀復雜的鎢結構件。而PEP工藝能通過3D打印方式來解決鎢合金復雜結構成形難問題，再結合成熟的粉末冶金脫脂燒結工藝，來獲得最終致密和性能優(yōu)異的鎢合金產品。隨著PEP技術在鎢合金應用領域的深入，產品實現(xiàn)能力獲得了進一步的提升。現(xiàn)已為航空航天、國防工業(yè)、核工業(yè)及醫(yī)療等多個領域提供解決方案。

該產品客戶通過PEP工藝實現(xiàn)該復雜組件的一體化生產，能顯著減少鎢合金產品的加工工序，且良品率高，節(jié)省了大量應用開發(fā)投入及生產成本。

▲鎢合金工業(yè)設備組件燒結件 ?升華三維

高強韌硬質合金制備的研究

中南大學粉末冶金國家重點實驗室與湖南博云東方粉末冶金有限公司合作，利用升華三維擠出增材制造裝備UPS250，首次制得無孔隙、無裂紋，各向收縮均勻的高強韌兩相WC-9Co硬質合金，首次制得無孔隙、無裂紋，各向收縮均勻的高強韌兩相WC-9Co硬質合金，其相對密度約為99.7%，維氏硬度、橫向斷裂強度和斷裂韌性分別達到1525±3HV30、3492±45MPa和20.4±0.5 MPa·m1/2，綜合力學性能與粉末冶金工藝制備的高性能硬質合金相當。相關成果發(fā)表在在國際頂級期刊《Additive Manufacturing》，期刊IF=11。

采用WC-Co硬質合金MEX-DS技術制備出近全致密兩相WC-9Co硬質合金，其橫向斷裂強度達到了3492MPa，斷裂韌性達到了20MPa·m1/2以上，將目前AM制備的WC-Co硬質合金橫向斷裂強度從1500-2000MPa、2000-3000 MPa（HIP處理）提高到了3000-4000MPa級，斷裂韌性提高到了20MPa·m1/2以上，綜合力學性能明顯優(yōu)于目前報道的同類研究結果，與粉末冶金制備的同類產品相當。研究結果對解決當前硬質合金增材制造出現(xiàn)的難以消除的孔隙、裂紋及有害相等難題，發(fā)展硬質合金增材技術具有重要的意義。

????圖1  MEX WC-9Co硬質合金生坯微觀結構

金屬陶瓷復合材料制備的研究

中南大學粉末冶金國家重點實驗室周科朝教授團隊以聚甲醛(POM)為主要粘合劑，開發(fā)了一種基于螺桿擠出方式的顆粒狀原料。采用升華三維大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556，通過高流動填充打印策略，顯著提升了3D構件層間結合強度，材料的相對密度與力學性能與傳統(tǒng)注塑件接近，為高強度、致密金屬陶瓷材料的提供新的技術思路。他們最新的研究成果發(fā)表在增材制造領域頂刊《Additive Manufacturing》上。

該團隊采用固含量為56vol%的原料，且通過(45°，135°)高流量填充法制備出了高相對密度為96.7%的NiFe2O4-25（Cu-20Ni）金屬陶瓷，其平均彎曲強度為173.5 MPa，接近注塑樣品的178.4 MPa。且通過控制原料的打印參數(shù)和粘度，可以實現(xiàn)三維樣品的長期高流量填充效果，可制備的結構復雜，性能穩(wěn)定的大型PM制品。經過研究表明，通過高流量填充方法可以使用材料擠壓工藝制造高質量的金屬陶瓷復合材料，在復雜形狀的陽極，切削工具和耐磨部件中具有潛在的應用前景。

▲不同填充路徑打印方式 ?Additive Manufacturing

在特種材料應用領域，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，已全面攻克了難熔金屬產品的快速開發(fā)及復雜結構制造等難題。公司已推出了難熔金屬3D打印服務方案，為高性能難熔金屬結構提供了一種更經濟的增材制造方法，適用于生產復雜、高性能的難熔金屬結構件。

▲PEP可打印的難熔金屬及其合金材料 ?升華三維

基于獨立雙噴嘴系統(tǒng)的金屬材料復合打印

PEP技術能實現(xiàn)不同金屬／陶瓷材料間的復合打印，這意味著應用場景也得到了進一步的擴展?；讵毩㈦p噴嘴系統(tǒng)，升華三維目前已開發(fā)有支撐打印、支撐連接打印、復合材料打印、不同部位指定材料打印、鏡像打印、復制打印等，為不同材料的復合結構開發(fā)和應用提供支持。

▲獨立雙噴嘴3D打印機支持的打印模式 ?升華三維

雙層梯度硬質合金制備雙材料復合打印彌補了傳統(tǒng)單材料打印的缺陷，尤其在聚合物基梯度功能結構制備中具有獨特優(yōu)勢。2024年10月，中南大學粉末冶金國家重點實驗室與株洲金韋硬質合金有限公司科研團隊，在3D打印梯度硬質合金在PDC襯底的應用研究中，采用間接3D打印工藝制備無η相高韌性滲碳梯度硬質合金(FGCCs)。本研究采用PEP工藝的獨立雙噴嘴3D打印機預置了僅外層貧碳的雙層硬質合金生坯，通過預燒結滲碳制備了三組新型 FGCCs。為高性能PDC襯底雙材料增材制造提供了解決思路。該研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《Ceramics International》上。

本研究實現(xiàn)了η相的可控分布，其結果可為制備無η相高韌性滲碳FGCCs 提供新的思路。此外，該研究為高性能PDC襯底的增材制造提供了參考方法。

▲雙層硬質合金3D打印模型示意圖 ?Ceramics International

▲燒結與滲碳樣品宏觀形貌與金相圖 ?Ceramics International

93W和96W梯度功能材料制備一高校與升華三維的聯(lián)合項目中，采用雙噴嘴系統(tǒng)實現(xiàn)了難熔金屬93鎢合金和96鎢合金的雙材料打印，打出來的成品界面處無缺陷，γ相分布較為均勻。在航空航天、核能、太陽能、生物工程植入等領域具有極大的應用價值。

▲93W和96W梯度材料 ?升華三維

金屬雙材料填充打印在一與高?？蒲许椖恐?，采用了兩種不同成分不銹鋼材料進行復合打印，用于認證《金屬雙材料復合結構不同性能變化對功能件影響》研究的可行性。該案例利用了PEP工藝切片軟件的晶格填充功能自動生成晶格骨架，再使用獨立雙噴嘴系統(tǒng)分別擠出骨架和晶格空隙填充材料，從而實現(xiàn)樣品結構的制備。因兩種材料成分接近，可使得兩者能在優(yōu)化后的同一套后處理工藝上實現(xiàn)燒結，最終獲得了雙材料結合致密，且冶金性能優(yōu)異的樣品。

▲不同成分不銹網材料復合打印 ?升華三維

梯度功能材料3D打印應用

2024年，升華三維在“上海TCT展”首發(fā)最新開發(fā)的梯度功能材料打印法及金屬/陶瓷梯度功能材料3D打印機UPR-241。該技術與傳統(tǒng)粉末冶金法形成優(yōu)勢互補，具有設計自由度高、工序簡單、設備及材料成本低等優(yōu)勢，且可直接使用粉末冶金法的燒結等后處理工藝，能實現(xiàn)連續(xù)梯度層的復雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。

▲FGM粉末擠出3D打印技術原理示意圖 ?升華三維

UPR-241采用了三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)，通過三個階段實現(xiàn)成分比例、混合與擠出材料組份的實時調控?？刂祁w粒材料按梯度設計自動調控混合打印成型，可實現(xiàn)材料的梯度連續(xù)性變化。

▲金屬/陶瓷功能材料3D打印機UPR-241 @升華三維

隨著梯度打印設備推向市場，升華三維一直在深化其在不同金屬梯度功能材料的研發(fā)和應用。目前已助力多個科研高校實現(xiàn)梯度功能材料的制備。以下應用樣品為與某高校聯(lián)合開發(fā)的鎢-銅梯度功能材料制備項目，該設備為其提供設計模擬和不同成分結構的試驗支持，讓我們期待其科研成果的發(fā)布。

▲3D打印的鎢-銅梯度功能材料結構樣品 @升華三維

金屬材料與加工制造是個跨多學科的融合應用，面臨著諸多挑戰(zhàn)。但也存在著巨大的應用空間，3D打印為金屬制造帶來了無限可能。在金屬增材的道路上，升華三維將持續(xù)精研核心PEP技術，不斷探索特種金屬材料應用場景。

2025年，我們將進一步加快金屬3D打印應用的全方位布局。突破材料邊界和工藝限制，拓展前沿科學研究和應用生產，加速傳統(tǒng)制造的智能化升級，為推進增材制造行業(yè)高質量發(fā)展創(chuàng)造更多的價值。