鎢金屬的不同3D打印工藝，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、潛力無(wú)限

鎢因其良好的熱機(jī)械性能（如高熔點(diǎn)、高密度、高導(dǎo)熱性和適度的熱膨脹）而成為高溫應(yīng)用的*材料。此外，其高密度和極低的濺射侵蝕率使其適用于輻射或其他極端環(huán)境，可用于制造波導(dǎo)、準(zhǔn)直器、核反應(yīng)堆等離子體面組件等，覆蓋航天、航空、軍事、醫(yī)療以及核工業(yè)等多領(lǐng)域。

鎢金屬的廣泛優(yōu)點(diǎn)也成為其難以加工的原因。純鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3410攝氏度，盡管鎢合金熔點(diǎn)有所降低，但均屬于難熔金屬，很難用常規(guī)方法制造。通常，鎢及鎢合金可經(jīng)粉末冶金制坯、擠壓、鍛造、軋制、旋壓和拉拔等加工成材，但加工成本高且耗時(shí)，所能制造的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜度有限。3D打印行業(yè)對(duì)鎢材料的關(guān)注可謂由來(lái)已久。

近年來(lái)，3D打印技術(shù)為鎢金屬的制造提供了一種手段，采用SLM、BJ、FDM擠出以及DLP等基于直接熔化和基于燒結(jié)兩種途徑的不同3D打印工藝均探索了這種材料的制造可行性。硬質(zhì)合金制造公司寄希望于這一新技術(shù)能為鎢金屬的制造開(kāi)辟新的途徑，主流的3D打印裝備制造商也積極探索了鎢金屬的成形工藝并紛紛表示取得了突破。

基于熔化，直接激光3D打印

選擇性激光熔化（SLM/L-PBF）是制造高精度和高質(zhì)量功能部件的*成功的增材制造技術(shù)之一。多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)知名的金屬3D打印制造商均表示已攻克了鎢的激光3D打印并成功實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，所給出的例證無(wú)一例外均是醫(yī)療使用的鎢格柵，而且鮮有持續(xù)性的報(bào)道。

基于激光的技術(shù)*大的問(wèn)題是溫度梯度的存在，易導(dǎo)致殘余應(yīng)力并引起開(kāi)裂。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員指出，在關(guān)于鎢的3D打印研究中，均報(bào)道了大于98%的高密度，但微裂紋的形成卻難以避免。3D打印技術(shù)參考對(duì)從事該材料研究的多家單位的研究人員進(jìn)行了了解，鎢格柵相對(duì)容易打印，雖然強(qiáng)度不高，但能滿足醫(yī)療上對(duì)輻射屏蔽作用的要求，而鎢的塊體在打印過(guò)程中極易開(kāi)裂。（參考：10.1016/j.actamat.2020.04.060）

鎢的激光打印雖然可以通過(guò)合金化和工藝優(yōu)化來(lái)改善，但這兩種方法的成功都有限。對(duì)于高比重鎢合金，由于成分多樣，性能差異大，熔點(diǎn)*高相差2400℃，各元素的飽和蒸氣壓不同。天津大學(xué)和中南大學(xué)的研究人員也指出，采用SLM難以保證鎢合金中各成分的可控性，制造具有優(yōu)異機(jī)械性能全密度鎢合金同樣困難。

無(wú)疑，采用激光制造鎢格柵是直接激光熔化取得的顯著突破與*成功的的應(yīng)用，然而鎢的應(yīng)用卻并不只是用來(lái)做格柵。

基于燒結(jié)，間接3D打印

基于燒結(jié)的間接3D打印為鎢金屬材料成形提供了另一種加工手段。主要工藝包括擠出、光固化以及粘結(jié)劑噴射。這些工藝均是先成形零件坯體，然后采用傳統(tǒng)粉末冶金的工藝實(shí)現(xiàn)鎢金屬的燒結(jié)致密化。

以升華三維所開(kāi)發(fā)的粉末擠出打印技術(shù)（Powder Extrusion printing，PEP）為例，該技術(shù)對(duì)原始粉末的球形度和流動(dòng)性沒(méi)有嚴(yán)格要求，通過(guò)將混合有金屬粉末和聚合物粘結(jié)劑的顆粒料加熱成熔融膏狀流體，并將其逐層沉積來(lái)生產(chǎn)生坯，后經(jīng)脫脂和燒結(jié)后可形成具有所需結(jié)構(gòu)和高性能的合金零件。

升華三維自主研發(fā)了鎢合金顆粒料UPGM-96WNIFE（96W-2.7Ni-1.3Fe，下稱96W），并對(duì)3D打印和脫脂燒結(jié)工藝進(jìn)行研究，掌握了影響鎢合金致密化的關(guān)鍵工藝參數(shù)。因燒結(jié)溫度低于直接3D打印完全熔化的溫度，允許熱量更均勻的施加，確保了產(chǎn)品性能的一致性，從而為獲得致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件創(chuàng)造了條件。

以該公司開(kāi)發(fā)的96W為例，零件的致密度超過(guò)99%，抗拉強(qiáng)度903Mpa，延伸率30.6%。通常，鎢基合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨鎢含量的增加而逐漸降低。根據(jù)相關(guān)研究，90W的*大伸長(zhǎng)率為21%，95W-97W試樣的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為700-850 MPa和1-15%。因此可以發(fā)現(xiàn)，采用間接3D打印技術(shù)制備的96W試樣在保持高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，大大提高了其伸長(zhǎng)率。（參考：10.1016/j.msea.2021.141417）

使用粉末熔融擠出間接3D打印技術(shù)在打印鎢合金零件方面具有一定優(yōu)勢(shì)，使制造近凈形狀的結(jié)構(gòu)零件成為可能。而且這種成形工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需激光器件，設(shè)備、材料投入成本較低，適用于粉末冶金所用的粉末材料，具有低溫成形、高溫成性的特性。

升華三維*終產(chǎn)品的成型、成性在材料配方階段就已決定，另外會(huì)對(duì)特殊結(jié)構(gòu)件進(jìn)行一定的技術(shù)干預(yù)和優(yōu)化，防止在燒結(jié)過(guò)程中的變形和開(kāi)裂。所開(kāi)發(fā)的鎢合金屏蔽罐經(jīng)過(guò)多次測(cè)試分析，充分滿足了對(duì)輻射源屏蔽效果的要求。同時(shí)，其均勻性、力學(xué)性能、熱性能優(yōu)異，在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的安全性也順利通過(guò)測(cè)試。

END

需要指出的是，每種工藝都有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。當(dāng)前激光直接制造鎢金屬塊體在開(kāi)裂和成形方面有不足之處，擠出和燒結(jié)的方案則難以制造薄壁格柵結(jié)構(gòu)。

雖不如直接激光3D打印應(yīng)用普遍，但擠出燒結(jié)方案在高溫合金、難熔金屬等特種金屬及特種合金零部件的3D打印制造方面更為靈活。升華三維有望為鎢及鎢合金的增材制造應(yīng)用提供高效且高性價(jià)比的生產(chǎn)解決方案。