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升華三維為難熔金屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造，提供先進的3D打印解決方案及打印服務(wù)

升華三維 2024-08-26 | 閱讀：894

傳統(tǒng)工藝限制了難熔金屬的應(yīng)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(dǎo)電性好等優(yōu)異性能,，被應(yīng)用于航空航天、國防工業(yè),、核工業(yè),、醫(yī)療等領(lǐng)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(shè)計需求實現(xiàn)制備。給制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難熔金屬構(gòu)件帶來了挑戰(zhàn),，嚴(yán)重限制了難熔金屬材料的應(yīng)用發(fā)展,。

▲難熔金屬材料（來源網(wǎng)絡(luò))

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(shù)能夠經(jīng)濟且高效地成形復(fù)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(jié)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(shù),，都可以快速實現(xiàn)難熔金屬材料的打印成型,。

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▲難熔金屬3D打印工藝及應(yīng)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(shù),，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(dāng)激光達(dá)到的溫度足以熔化金屬鎢時,，粘結(jié)相如Ni、Fe元素會蒸發(fā),，從而導(dǎo)致Ni和Fe成分變化,，成分不可控；
另外激光瞬時高溫，會導(dǎo)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(jié)構(gòu)上的孔洞,、裂紋等缺陷,，不適合高性能鎢等難熔金屬結(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)合的間接3D打印技術(shù)——粉末擠出打印技術(shù)（PEP）。為高性能難熔金屬結(jié)構(gòu)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(jié)劑配置成顆粒喂料,，通過3D打印設(shè)備制備成型，再經(jīng)過粉末冶金的脫脂燒結(jié)工藝進行后處理,，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件,。適用于生產(chǎn)復(fù)雜、高性能的難熔金屬結(jié)構(gòu)件,，可提供先進的PEP工藝設(shè)備,、打印服務(wù)及解決方案。

▲粉末擠出3D打?。≒EP）技術(shù)原理圖

PEP的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

采用打印與燒結(jié)分開的工藝模式,，打印設(shè)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(jié)設(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)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(xué)材料學(xué)院,、中南大學(xué)粉末冶金研究院共同完成,，相關(guān)成果發(fā)表在Materials Science & Engineering A 上,。

其研究結(jié)果表明：

PEP技術(shù)是通過“3D打印”和“高溫?zé)Y(jié)”相結(jié)合的新技術(shù)，可以制備高比重鎢合金,。
通過兩步燒結(jié)法,，可獲得最佳燒結(jié)性能。96W-2.7Ni-1.3Fe的密度可達(dá)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(dá)到了26.1%,。
成分精確可控，無論是在燒結(jié)過程還是熱處理過程,，都不會產(chǎn)生脆性相,。

▲不同燒結(jié)條件下的硬度和相對密度

PEP技術(shù)制備難熔金屬主要工藝說明

打印材料制備

PEP技術(shù)在制備難熔金屬方面的應(yīng)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(diào)節(jié)工藝參數(shù)而得到高致密的結(jié)構(gòu)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(shè)備，主要采用蠟基粘結(jié)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(zhì)量,、低成本等優(yōu)勢,，可用于高比重鎢合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供支撐,。該設(shè)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(shè)備優(yōu)勢：

獨立雙噴嘴設(shè)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(jié)構(gòu)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(fù)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(zhì)量,；
無需氣氛，辦公環(huán)境即可使用,；
具有熱風(fēng)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(jié)獲得性能

打印完成的生坯需要經(jīng)過脫脂和燒結(jié)才能獲得性能,?；赑EP技術(shù)路線，升華三維已摸索出適合鎢合金等難熔金屬的燒結(jié)工藝,，并可根據(jù)客戶粉體物性調(diào)整燒結(jié)參數(shù),。因燒結(jié)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(jié)）

以下為UPGM-93WNiFe材料的燒結(jié)性能說明，通過PEP打印-脫脂-燒結(jié)制備的鎢合金相對密度可達(dá)99.6%,。燒結(jié)后的鎢合金構(gòu)件,，能達(dá)到或超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標(biāo)。

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▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結(jié)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(yīng)用制造,。在傳統(tǒng)粉末冶金基礎(chǔ)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)，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(yīng)用領(lǐng)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(wù),。

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