难熔金属材料具有高熔点及特有性能，一直以来作为高新材料加以发展。这类材料由于熔点高、高温强度高，给冶炼加工也带来很大困难。需要难熔金属材料的部件结构复杂多样，因此给制造带来困难。随着3D打印技术的发展，人们逐渐将眼光转向这一新技术，那3D打印工艺又能为难熔合金的制造带来哪些契机呢？
本文将以钨为例，介绍3D打印在难熔合金制造过程中所能提供的多种有效解决方案。
01. 激光增材制造，难熔合金成形的途径之一
3D打印技术参考注意到，EOS旗下AMCM公司于近日宣布正在为欧洲核子研究中心(CERN)大型粒子对撞机(LHC) 3D打印钨材料部件。所制造的零件为钨格栅结构，要求部件：长150mm，包含16万个1.2x1.2mm的方孔，壁厚0.5mm，表面质量好。
该部件使用了M290-2 FDR系统进行打印，据3D打印技术参考了解，这台设备针对相关应用进行了优化，能够制造具有精细分辨率的零件以满足苛刻应用。所制造的零件被用于对撞机电磁量热仪，它是一面7x8m的大墙，由12x12cm的模块组成。该计划将使用钨制成的新结构替换最里面的32个模块，总面积约0.5平方米，该区域的工作条件最具挑战性且对成功至关重要。
很显然，钨格栅结构非常适合使用基于激光的粉末床熔融金属3D打印技术。欧洲核子研究中心相关人员表示：“新型钨结构的生产在5年前仍然不可想象，直到3D打印带来了突破。”高精度是激光粉末床3D打印的重要特点，因此本领域内从散热器到减重结构，几乎所有的晶格结构都采用该工艺制造。但一种技术无法解决所有问题，钨属于难熔合金，基于激光的3D打印也存在很大困难，由于温度梯度的存在，易导致残余应力并引起开裂。晶格/栅格结构相比块体更容易成形，目前被报道的钨的3D打印应用基本均是用于辐射屏蔽，对强度的要求并不高。因此，对于钨格栅结构的3D打印现阶段最适合的工艺莫过于激光粉末床3D打印。
块体钨的激光3D打印存在困难
02. 烧结+挤出，为高价值难熔合金3D打印开辟新方案
但钨的应用需求是普遍的，很多应用涉及到尺寸较大的块体结构，此时采用激光3D打印则存在困难。基于烧结的挤出3D打印技术正在为钨材料提供一种新的解决方案。作为一种新近兴起的技术，在行业内尚未引起广泛的重视，但却能够解决许多成熟的3D打印技术所不能解决的问题。接下来，将对粉末挤出打印技术（PEP）在钨及钨合金3D打印制备工艺做详细解答。
粉末挤出打印技术（PEP）是由升华三维推出的一种将“3D打印+粉末冶金”相结合的金属/陶瓷间接3D打印技术。是在(FDM)熔融沉积成型技术的基础上，再结合粉末冶金工艺形成的一种3D打印方法。采用金属/陶瓷粉体适配粘结剂混炼成颗粒材料、然后通过3D打印设备制备出具有一定密度和强度的生坯，再经过脱脂烧结后处理工艺，从而获得最终致密和性能优异的结构件。有望为钨及钨合金在增材制造的应用提供高效的生产解决方案。
升华三维根据金属/陶瓷粉体的物性（粒径分布、形貌、比表面积等）和产品的性能要求，选择合适的粘结剂配方体系（水基、塑基、蜡基等）进行适配，通过密炼机充分混合密炼高分子粘结剂与金属/陶瓷粉末，最后通过造粒机制备得到粒径可控的颗粒料材料。相继开发出了适配于升华三维3D打印机的材料。如：316L/304/17-4PH不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、钛及钛合金、高温合金、硬质合金难熔金属等金属材料，氧化锆、氧化铝、碳化硅等特种陶瓷材料及羟基磷灰石等生物陶瓷材料，以满足不同应用需求。
UPGM-93WNIFE钨合金颗粒料是升华自主研发的一种金属聚合物复合材料，呈灰色，粒径在8-14目的近球形颗粒，可应用于航空航天、军事国防、核工业、工业制造及饰品等领域的钨金属结构件开发制造。
基于PEP技术，以按照模型设计 →工艺经验评估/软件模拟 → 原型法验证 → 生坯打印的规范生产流程。通过升华三维3D打印机系统将颗粒料加热成熔融膏状，再挤压并逐层堆积成形，可得到高精度并具有一定密度和强度的生坯。该系统可实现大尺寸（最大成型体积：500×500×600mm）钨金属结构件打印，且具有热风腔体恒温系统和真空吸附平台，可有效防止翘边现象。打印成型后，生胚还需要进行脱脂和烧结过程。
▲UPGM-93WNIFE钨合金生坯样品
脱脂的作用是从3D打印生胚中去除大部分粘结剂聚合物。脱脂工艺包括水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂。脱脂过程相对简单，将生胚浸泡于适量的脱脂剂里一段时间，被去除粘结剂聚合物的生坯称之为棕胚，将被送至烧结环节从而得到致密的金属/陶瓷结构部件。升华三维目前已拥有成熟的水基93W-NiFe打印材料。如下图所示，在脱脂环节，使用“处理水脱脂工艺”，溶解脱除粘接剂B；脱脂后，残留的粘接剂A，使棕坯具有一定的强度，以方便转运。而残留的粘接剂A，将在后续烧结过程中高温去除。
▲脱脂工艺图示
获得的棕坯因在脱脂后存在一定的空隙，其强度和密度较低。基于PEP技术路线已摸索出合适的烧结工艺，并可根据客户粉体物性调整烧结工艺参数。通过烧结，残余的粘结剂聚合物首先在适当的加热温度下被去除。当温度升高到金属/陶瓷粒子的熔点以上时，这些粒子开始熔化并增长到密度达到近乎致密。因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性。
▲UPGM-93WNIFE钨合金烧结件力学性能
需要注意的是，在烧结过程中，由于粘结剂聚合物的去除和材料颗粒的生长，会发生一定比率的收缩，但收缩率是恒定的。设计和成型步骤将按比例放大，以补偿在烧结步骤中的收缩。烧结后的钨合金构件，能达到或超过传统工艺制备性能指标。
PEP技术为解决钨合金机械加工难、复杂结构生产和减重设计提供一种新的解决途径，通过PEP工艺制备的钨合金部件是完全可直接使用的，并且能实现更快的生产与打样。升华三维将进一步挖掘技术潜能，建立完备的工艺路线。推出的钨合金3D打印服务，也将为航天、航空、军事、医疗以及核工业等应用领域在钨金属加工制造及灵活设计开拓新方向。
PEP技术为解决钨合金机械加工难、复杂结构生产和减重设计提供一种新的解决途径，通过PEP工艺制备的钨合金部件是完全可直接使用的，并且能实现更快的生产与打样。升华三维作为从材料开发制备、3D打印设备研发生产、脱脂烧结工艺到打印服务一整套高性能间接3D打印整体解决方案的供应商。已掌握难熔金属间接3D打印在打印装备及核心器件、成形材料、工艺及软件等关键技术，现已推出钨合金间接3D打印服务方案，将为航天、航空、军事、医疗以及核工业等应用领域在钨金属加工制造及灵活设计开拓新方向。
总的来说，3D打印为钨等难熔合金的制造提供了有别于传统技术的新路径。但一种技术仍旧无法解决所有问题，3D打印的多种成形工艺则能够分别适用于不同结构的难熔合金制造。无论在增材制造行业内部还是应用端，都应注意到工艺的多样化为生产所能带来的便利。
