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傳統(tǒng)工藝限制了難熔金屬的應用發(fā)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(yōu)異性能,,被應用于航空航天、國防工業(yè),、核工業(yè),、醫(yī)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(tǒng)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(xiàn)制備。給制備復雜結構的難熔金屬構件帶來了挑戰(zhàn),,嚴重限制了難熔金屬材料的應用發(fā)展,。
▲難熔金屬材料(來源網(wǎng)絡)
3D打印難熔金屬工藝及存在的不足
相較于傳統(tǒng)工藝制備難熔金屬,增材制造技術能夠經(jīng)濟且高效地成形復雜形狀的高精密部件。據(jù)《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(xiàn)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(fā),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(wěn)定性產(chǎn)生的濺灑現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(yōu)異的結構件,。適用于生產(chǎn)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(yōu)勢主要體現(xiàn)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(tǒng),,不需要昂貴的高能量激光器件,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(xiàn)的變形,、裂紋、孔洞等問題,,從而確保了產(chǎn)品性能一致性,。
相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝,充分發(fā)揮了3D打印的優(yōu)勢,,實現(xiàn)難熔金屬復雜結構的快速制備,,可加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時間。
早在2021年,,升華三維就發(fā)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(fā)表在Materials Science & Engineering A 上,。
其研究結果表明:
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,。
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%,。
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%,。
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(chǎn)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(jīng)取得一定成就,現(xiàn)已支持多種難熔金屬材料的3D打印,,不同材料可通過調節(jié)工藝參數(shù)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(yè)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(fā)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(yōu)勢,,可用于高比重鎢合金復雜結構件的開發(fā)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(wěn)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(yōu)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(chǎn)品,無需清粉,;
可基于MIM工藝的材料進行二次開發(fā)適配,,且材料可重復使用;
采用自動進料功能,,可實現(xiàn)無人看守長時間打?。?/span>
自動刷嘴功能,,保證打印外觀及質量,;
無需氣氛,辦公環(huán)境即可使用,;
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。
▲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(jīng)過脫脂和燒結才能獲得性能,?;赑EP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(jù)客戶粉體物性調整燒結參數(shù),。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(chǎn)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(tǒng)工藝制備性能指標,。
▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結件性能參數(shù)
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,,升華三維項目團隊全面攻克了難熔金屬產(chǎn)品的快速開發(fā)及復雜結構制造等難題,。現(xiàn)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(fā)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(yè),、核工業(yè)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,。
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