难熔金属3D打印不再难，复杂结构制备独辟蹊径

2024年9月4日

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难熔金属通常指钨、铼、钽、钼、铌、铱、钒等，这类金属具有熔点高、硬度大、抗蚀性强、导电性好等优异性能，被应用于航空航天、国防工业、核工业、医疗等领域。难熔金属由于熔点高、高温强度大的特点，非常难以通过传统制造方法进行加工。长期以来一直仅限于工件形状相对简单、材料去除量极少、无法按理想的设计需求实现制备。给制备复杂结构的难熔金属构件带来了挑战，严重限制了难熔金属材料的应用发展。

▲难熔金属材料（来源网络)

难熔金属3D打印工艺及存在的不足

相较于传统工艺制备难熔金属，增材制造技术能够经济且高效地成形复杂形状的高精密部件。据《难熔金属材料增材制造工艺研究进展》总结近5年来增材制造制备难熔金属的研究情况表明，用于难熔金属制备的3D打印工艺主要涉及SLS、SLM、EBSM、LMD、WAAM这几种技术，都可以快速实现难熔金属材料的打印成型。

▲难熔金属3D打印工艺及应用材料（来源《COPPER ENGINEERING》)

但这类利用电子束、电弧、激光等作为加工热源的3D打印技术，在加工难熔金属时仍存在一定的不足：

高熔点材料需要更高功率的激光器，投入成本相对更高；
而如钨合金的钨和镍、铁、铜等金属元素的熔点相差较大，当激光达到的温度足以熔化金属钨时，粘结相如Ni、Fe元素会蒸发，从而导致Ni和Fe成分变化，成分不可控；
另外激光瞬时高温，会导致晶粒异常长大，影响合金性能；
同时高温温场的不稳定性产生的溅洒现象，也会形成结构上的孔洞、裂纹等缺陷，不适合高性能钨等难熔金属结构件的制造。

▲不同方向钨单激光熔融轨迹开裂的SEM图像，(a)顶面；(b)侧面（来源《COPPER ENGINEERING》)

难熔金属“另类”3D打印技术

由升华三维提出的“3D打印+粉末冶金”相结合的间接3D打印技术——粉末挤出打印技术（PEP）。为高性能难熔金属结构提供了一种更经济的增材制造方法。采用金属粉体适配粘结剂配置成颗粒喂料，通过3D打印设备制备成型，再经过粉末冶金的脱脂烧结工艺进行后处理，从而获得最终致密和性能优异的结构件。适用于生产复杂、高性能的难熔金属结构件，可提供先进的PEP工艺设备、打印服务及解决方案。

▲粉末挤出3D打印（PEP）技术原理图

PEP的优势主要体现在：

采用打印与烧结分开的工艺模式，打印设备利用了螺杆挤出系统，不需要昂贵的高能量激光器件，传统产业用户还可以利用原有的脱脂烧结设备，能极大地减少投入成本。
PEP具有低温成型、高温成性的特性，可有效地解决其他3D打印难熔金属过程中极易出现的变形、裂纹、孔洞等问题，从而确保了产品性能一致性。
相比传统粉末冶金工艺，充分发挥了3D打印的优势，实现难熔金属复杂结构的快速制备，可加快产品的开发与商业化时间。

早在2021年，升华三维就发表了《采用粉末挤出3D打印技术制备高性能96W-2.7Ni-1.3Fe合金零件》的科研成果，以解决难熔金属成型难的问题。该研究成果是升华三维、天津大学材料学院、中南大学粉末冶金研究院共同完成，相关成果发表在Materials Science & Engineering A 上。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509321006869?via%3Dihub

其研究结果表明：

PEP技术是通过“3D打印”和“高温烧结”相结合的新技术，可以制备高比重钨合金。
通过两步烧结法，可获得最佳烧结性能。96W-2.7Ni-1.3Fe的密度可达99.2%±0.2%，且拉伸强度为801MPa,延伸率为22.1%。
热处理后，性能进一步提高拉伸强度为838MPa，延伸率达到了26.1%。
成分精确可控，无论是在烧结过程还是热处理过程，都不会产生脆性相。

▲不同烧结条件下的硬度和相对密度

PEP技术制备难熔金属主要工艺说明

打印材料制备

PEP技术在制备难熔金属方面的应用和研究已经取得一定成就，现已支持多种难熔金属材料的3D打印，不同材料可通过调节工艺参数而得到高致密的结构件。升华三维拥有为PEP工艺制备打印材料的专业密炼造粒设备，主要采用蜡基粘结剂体系为难熔金属3D打印材料开发提供支持。

以UPGM-93WNiFe打印材料为例，采用了粒径为2-3μm的钨粉，喂料粒径在2-4mm之间，粉体装置量为47vol.%，钨合金打印材料具有高密度、高质量、低成本等优势，可用于高比重钨合金复杂结构件的开发制造。

▲升华三维UPGM-93WNiFe打印材料

3D打印成型

升华三维提供两款独立双喷嘴3D打印机为稳定制备大尺寸钨合金等难熔金属复杂结构件提供支撑。该设备采用颗粒熔融挤出成型方式，可打印出具备一定密度和强度的生坯。

独立双喷嘴3D打印设备优势：

独立双喷嘴设计，可同时或轮流打印不同材料；
颗粒挤出打印方式，可制备中空结构产品，无需清粉；
可基于MIM工艺的材料进行二次开发适配，且材料可重复使用；
采用自动进料功能，可实现无人看守长时间打印；
自动刷嘴功能，保证打印外观及质量；
无需气氛，办公环境即可使用；
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。

▲升华三维打印钨合金样品（生坯）

烧结获得性能

打印完成的生坯需要经过脱脂和烧结才能获得性能。基于PEP技术路线，升华三维已摸索出适合钨合金等难熔金属的烧结工艺，并可根据客户粉体物性调整烧结参数。因烧结温度低于其他类型的激光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。

▲升华三维打印钨合金样品（烧结）

以下为UPGM-93WNiFe材料的烧结性能说明，通过PEP打印-脱脂-烧结制备的钨合金相对密度可达99.6%。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。

▲UPGM-93WNiFe钨合金烧结件性能参数

升华三维着眼于难熔金属及其合金材料的开发和应用制造。在传统粉末冶金基础上，升华三维表示其已攻克难熔金属产品的快速开发及复杂结构制造等难题。现已掌握了难熔金属间接3D打印的打印装备、成形材料、工艺及软件等关键技术，成功开发了多个品种的难熔金属及其合金的打印材料，并顺利向多个高端制造行业的多家科研院所，提供难熔金属增材制造解决方案及打印服务。

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