難熔金屬材料具有高熔點及特有性能，一直以來作為高新材料加以發(fā)展。這類材料由于熔點高、高溫強度高，給冶煉加工也帶來很大困難。需要難熔金屬材料的部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，因此給制造帶來困難。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將眼光轉(zhuǎn)向這一新技術(shù)，那3D打印工藝又能為難熔合金的制造帶來哪些契機呢？

本文將以鎢為例，介紹3D打印在難熔合金制造過程中所能提供的多種有效解決方案。

01. 激光增材制造，難熔合金成形的途徑之一

3D打印技術(shù)參考注意到，EOS旗下AMCM公司于近日宣布正在為歐洲核子研究中心(CERN)大型粒子對撞機(LHC) 3D打印鎢材料部件。所制造的零件為鎢格柵結(jié)構(gòu)，要求部件：長150mm，包含16萬個1.2x1.2mm的方孔，壁厚0.5mm，表面質(zhì)量好。

該部件使用了M290-2 FDR系統(tǒng)進行打印，據(jù)3D打印技術(shù)參考了解，這臺設(shè)備針對相關(guān)應(yīng)用進行了優(yōu)化，能夠制造具有精細分辨率的零件以滿足苛刻應(yīng)用。所制造的零件被用于對撞機電磁量熱儀，它是一面7x8m的大墻，由12x12cm的模塊組成。該計劃將使用鎢制成的新結(jié)構(gòu)替換最里面的32個模塊，總面積約0.5平方米，該區(qū)域的工作條件最具挑戰(zhàn)性且對成功至關(guān)重要。

很顯然，鎢格柵結(jié)構(gòu)非常適合使用基于激光的粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)。歐洲核子研究中心相關(guān)人員表示：“新型鎢結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)在5年前仍然不可想象，直到3D打印帶來了突破?！备呔仁羌す夥勰┐?D打印的重要特點，因此本領(lǐng)域內(nèi)從散熱器到減重結(jié)構(gòu)，幾乎所有的晶格結(jié)構(gòu)都采用該工藝制造。但一種技術(shù)無法解決所有問題，鎢屬于難熔合金，基于激光的3D打印也存在很大困難，由于溫度梯度的存在，易導(dǎo)致殘余應(yīng)力并引起開裂。晶格/柵格結(jié)構(gòu)相比塊體更容易成形，目前被報道的鎢的3D打印應(yīng)用基本均是用于輻射屏蔽，對強度的要求并不高。因此，對于鎢格柵結(jié)構(gòu)的3D打印現(xiàn)階段最適合的工藝莫過于激光粉末床3D打印。

塊體鎢的激光3D打印存在困難

02. 燒結(jié)+擠出，為高價值難熔合金3D打印開辟新方案

但鎢的應(yīng)用需求是普遍的，很多應(yīng)用涉及到尺寸較大的塊體結(jié)構(gòu)，此時采用激光3D打印則存在困難?；跓Y(jié)的擠出3D打印技術(shù)正在為鎢材料提供一種新的解決方案。作為一種新近興起的技術(shù)，在行業(yè)內(nèi)尚未引起廣泛的重視，但卻能夠解決許多成熟的3D打印技術(shù)所不能解決的問題。接下來，將對粉末擠出打印技術(shù)（PEP）在鎢及鎢合金3D打印制備工藝做詳細解答。

粉末擠出打印技術(shù)（PEP）是由升華三維推出的一種將“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)。是在(FDM)熔融沉積成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合粉末冶金工藝形成的一種3D打印方法。采用金屬/陶瓷粉體適配粘結(jié)劑混煉成顆粒材料、然后通過3D打印設(shè)備制備出具有一定密度和強度的生坯，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)后處理工藝，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。有望為鎢及鎢合金在增材制造的應(yīng)用提供高效的生產(chǎn)解決方案。

• 打印材料的開發(fā)

升華三維根據(jù)金屬/陶瓷粉體的物性（粒徑分布、形貌、比表面積等）和產(chǎn)品的性能要求，選擇合適的粘結(jié)劑配方體系（水基、塑基、蠟基等）進行適配，通過密煉機充分混合密煉高分子粘結(jié)劑與金屬/陶瓷粉末，最后通過造粒機制備得到粒徑可控的顆粒料材料。相繼開發(fā)出了適配于升華三維3D打印機的材料。如：316L/304/17-4PH不銹鋼、銅及銅合金、鎢及鎢合金、鈦及鈦合金、高溫合金、硬質(zhì)合金難熔金屬等金屬材料，氧化鋯、氧化鋁、碳化硅等特種陶瓷材料及羥基磷灰石等生物陶瓷材料，以滿足不同應(yīng)用需求。

UPGM-93WNIFE鎢合金顆粒料是升華自主研發(fā)的一種金屬聚合物復(fù)合材料，呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒，可應(yīng)用于航空航天、軍事國防、核工業(yè)、工業(yè)制造及飾品等領(lǐng)域的鎢金屬結(jié)構(gòu)件開發(fā)制造。

• 3D打印成型

▲3D打印設(shè)備

基于PEP技術(shù)，以按照模型設(shè)計 →工藝經(jīng)驗評估/軟件模擬 → 原型法驗證 → 生坯打印的規(guī)范生產(chǎn)流程。通過升華三維3D打印機系統(tǒng)將顆粒料加熱成熔融膏狀，再擠壓并逐層堆積成形，可得到高精度并具有一定密度和強度的生坯。該系統(tǒng)可實現(xiàn)大尺寸（最大成型體積：500×500×600mm）鎢金屬結(jié)構(gòu)件打印，且具有熱風腔體恒溫系統(tǒng)和真空吸附平臺，可有效防止翹邊現(xiàn)象。打印成型后，生胚還需要進行脫脂和燒結(jié)過程。

▲3D打印工藝參數(shù)

▲UPGM-93WNIFE鎢合金生坯樣品

• 脫脂工藝

脫脂的作用是從3D打印生胚中去除大部分粘結(jié)劑聚合物。脫脂工藝包括水脫脂、溶劑脫脂和催化脫脂。脫脂過程相對簡單，將生胚浸泡于適量的脫脂劑里一段時間，被去除粘結(jié)劑聚合物的生坯稱之為棕胚，將被送至燒結(jié)環(huán)節(jié)從而得到致密的金屬/陶瓷結(jié)構(gòu)部件。升華三維目前已擁有成熟的水基93W-NiFe打印材料。如下圖所示，在脫脂環(huán)節(jié)，使用“處理水脫脂工藝”，溶解脫除粘接劑B；脫脂后，殘留的粘接劑A，使棕坯具有一定的強度，以方便轉(zhuǎn)運。而殘留的粘接劑A，將在后續(xù)燒結(jié)過程中高溫去除。

▲脫脂工藝圖示

• 燒結(jié)工藝

獲得的棕坯因在脫脂后存在一定的空隙，其強度和密度較低?；赑EP技術(shù)路線已摸索出合適的燒結(jié)工藝，并可根據(jù)客戶粉體物性調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)。通過燒結(jié)，殘余的粘結(jié)劑聚合物首先在適當?shù)募訜釡囟认卤蝗コ．敎囟壬叩浇饘?陶瓷粒子的熔點以上時，這些粒子開始熔化并增長到密度達到近乎致密。因燒結(jié)溫度低于其他類型的直接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。

▲UPGM-93WNIFE鎢合金燒結(jié)件力學(xué)性能

需要注意的是，在燒結(jié)過程中，由于粘結(jié)劑聚合物的去除和材料顆粒的生長，會發(fā)生一定比率的收縮，但收縮率是恒定的。設(shè)計和成型步驟將按比例放大，以補償在燒結(jié)步驟中的收縮。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。

▲UPGM-93WNIFE鎢合金燒結(jié)樣品

PEP技術(shù)為解決鎢合金機械加工難、復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和減重設(shè)計提供一種新的解決途徑，通過PEP工藝制備的鎢合金部件是完全可直接使用的，并且能實現(xiàn)更快的生產(chǎn)與打樣。升華三維作為從材料開發(fā)制備、3D打印設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)、脫脂燒結(jié)工藝到打印服務(wù)一整套高性能間接3D打印整體解決方案的供應(yīng)商。已掌握難熔金屬間接3D打印在打印裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)已推出鎢合金間接3D打印服務(wù)方案，將為航天、航空、軍事、醫(yī)療以及核工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域在鎢金屬加工制造及靈活設(shè)計開拓新方向。

END

總的來說，3D打印為鎢等難熔合金的制造提供了有別于傳統(tǒng)技術(shù)的新路徑。但一種技術(shù)仍舊無法解決所有問題，3D打印的多種成形工藝則能夠分別適用于不同結(jié)構(gòu)的難熔合金制造。無論在增材制造行業(yè)內(nèi)部還是應(yīng)用端，都應(yīng)注意到工藝的多樣化為生產(chǎn)所能帶來的便利。