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傳統工藝限制了難熔金屬的應用發展

難熔金屬通常指鎢、錸、鉭、鉬、鈮、銥、釩等，這類金屬具有熔點高、硬度大、抗蝕性強、導電性好等優異性能，被應用于航空航天、國防工業、核工業、醫療等領域。難熔金屬由于熔點高、高溫強度大的特點，非常難以通過傳統制造方法進行加工。長期以來一直僅限于工件形狀相對簡單、材料去除量極少、無法按理想的設計需求實現制備。給制備復雜結構的難熔金屬構件帶來了挑戰，嚴重限制了難熔金屬材料的應用發展。

▲難熔金屬材料（來源網絡)

3D打印難熔金屬工藝及存在的不足

相較于傳統工藝制備難熔金屬，增材制造技術能夠經濟且高效地成形復雜形狀的高精密部件。據《難熔金屬材料增材制造工藝研究進展》總結近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，都可以快速實現難熔金屬材料的打印成型。

▲難熔金屬3D打印工藝及應用材料（來源《COPPER ENGINEERING》)

但這類利用電子束、電弧、激光等作為加工熱源的3D打印技術，在加工難熔金屬時仍存在一定的不足：

• 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，當激光達到的溫度足以熔化金屬鎢時，粘結相如Ni、Fe元素會蒸發，從而導致Ni和Fe成分變化，成分不可控；

• 另外激光瞬時高溫，會導致晶粒異常長大，影響合金性能；

• 同時高溫溫場的不穩定性產生的濺灑現象，也會形成結構上的孔洞、裂紋等缺陷，不適合高性能鎢等難熔金屬結構件的制造。

▲不同方向鎢單激光熔融軌跡開裂的SEM圖像，(a)頂面；(b)側面（來源《COPPER ENGINEERING》)

升華三維為難熔金屬制造提供3D打印解決方案由升華三維提出的“3D打印+粉末冶金”相結合的間接3D打印技術——粉末擠出打印技術（PEP）。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。采用金屬粉體適配粘結劑配置成顆粒喂料，通過3D打印設備制備成型，再經過粉末冶金的脫脂燒結工藝進行后處理，從而獲得最終致密和性能優異的結構件。適用于生產復雜、高性能的難熔金屬結構件，可提供先進的PEP工藝設備、打印服務及解決方案。

▲粉末擠出3D打印（PEP）技術原理圖

PEP的優勢主要體現在：

• 采用打印與燒結分開的工藝模式，打印設備利用了螺桿擠出系統，不需要昂貴的高能量激光器件，傳統產業用戶還可以利用原有的脫脂燒結設備，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的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產品性能一致性。

• 相比傳統粉末冶金工藝，充分發揮了3D打印的優勢，實現難熔金屬復雜結構的快速制備，可加快產品的開發與商業化時間。

早在2021年，升華三維就發表了《采用粉末擠出3D打印技術制備高性能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、天津大學材料學院、中南大學粉末冶金研究院共同完成，相關成果發表在Materials Science & Engineering A 上。

其研究結果表明：

1. PEP技術是通過“3D打印”和“高溫燒結”相結合的新技術，可以制備高比重鎢合金。

2. 通過兩步燒結法，可獲得最佳燒結性能。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，無論是在燒結過程還是熱處理過程，都不會產生脆性相。

▲不同燒結條件下的硬度和相對密度

PEP技術制備難熔金屬主要工藝說明

打印材料制備

PEP技術在制備難熔金屬方面的應用和研究已經取得一定成就，現已支持多種難熔金屬材料的3D打印，不同材料可通過調節工藝參數而得到高致密的結構件。升華三維擁有為PEP工藝制備打印材料的專業密煉造粒設備，主要采用蠟基粘結劑體系為難熔金屬3D打印材料開發提供支持。

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、高質量、低成本等優勢，可用于高比重鎢合金復雜結構件的開發制造。

▲升華三維UPGM-93WNiFe打印材料

3D打印成型

升華三維提供兩款獨立雙噴嘴3D打印機為穩定制備大尺寸鎢合金等難熔金屬復雜結構件提供支撐。該設備采用顆粒熔融擠出成型方式，可打印出具備一定密度和強度的生坯。

獨立雙噴嘴3D打印設備優勢：

• 獨立雙噴嘴設計，可同時或輪流打印不同材料；

• 顆粒擠出打印方式，可制備中空結構產品，無需清粉；

• 可基于MIM工藝的材料進行二次開發適配，且材料可重復使用；

• 采用自動進料功能，可實現無人看守長時間打印；

• 自動刷嘴功能，保證打印外觀及質量；

• 無需氣氛，辦公環境即可使用；

• 具有熱風腔體恒溫系統和真空吸附平臺，可有效防止翹邊現象。

▲升華三維打印鎢合金樣品（生坯）

燒結獲得性能

打印完成的生坯需要經過脫脂和燒結才能獲得性能。基于PEP技術路線，升華三維已摸索出適合鎢合金等難熔金屬的燒結工藝，并可根據客戶粉體物性調整燒結參數。因燒結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，從而確保了產品性能的一致性。

▲升華三維打印鎢合金樣品（燒結）

以下為UPGM-93WNiFe材料的燒結性能說明，通過PEP打印-脫脂-燒結制備的鎢合金相對密度可達99.6%。燒結后的鎢合金構件，能達到或超過傳統工藝制備性能指標。

▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結件性能參數

升華三維著眼于難熔金屬及其合金材料的開發和應用制造。在傳統粉末冶金基礎上，升華三維項目團隊全面攻克了難熔金屬產品的快速開發及復雜結構制造等難題。現已掌握了難熔金屬間接3D打印的打印裝備、成形材料、工藝及軟件等關鍵技術，成功開發了多個品種的難熔金屬及其合金的打印材料，并順利向航空航天、國防工業、核工業等應用領域的多家科研院所，提供難熔金屬增材制造解決方案及打印服務。