鎢因其良好的熱機械性能（如高熔點、高密度、高導熱性和適度的熱膨脹）而成為高溫應用的*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、準直器、核反應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)點也成為其難以加工的原因。純鎢的熔點高達3410攝氏度，盡管鎢合金熔點有所降低，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，所能制造的零件結(jié)構(gòu)復雜度有限。3D打印行業(yè)對鎢材料的關(guān)注可謂由來已久。

近年來，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，國內(nèi)知名的金屬3D打印制造商均表示已攻克了鎢的激光3D打印并成功實現(xiàn)了應用，所給出的例證無一例外均是醫(yī)療使用的鎢格柵，而且鮮有持續(xù)性的報道。

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

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

無疑，采用激光制造鎢格柵是直接激光熔化取得的顯著突破與*成功的的應用，然而鎢的應用卻并不只是用來做格柵。

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)粉末冶金的工藝實現(xiàn)鎢金屬的燒結(jié)致密化。

以升華三維所開發(fā)的粉末擠出打印技術(shù)（Powder Extrusion printing，PEP）為例，該技術(shù)對原始粉末的球形度和流動性沒有嚴格要求，通過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3D打印和脫脂燒結(jié)工藝進行研究，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。

以該公司開發(fā)的96W為例，零件的致密度超過99%，抗拉強度903Mpa，延伸率30.6%。通常，鎢基合金的抗拉強度和伸長率隨鎢含量的增加而逐漸降低。根據(jù)相關(guān)研究，90W的*大伸長率為21%，95W-97W試樣的拉伸強度和伸長率分別為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度的同時，大大提高了其伸長率。（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，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單，無需激光器件，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，另外會對特殊結(jié)構(gòu)件進行一定的技術(shù)干預和優(yōu)化，防止在燒結(jié)過程中的變形和開裂。所開發(fā)的鎢合金屏蔽罐經(jīng)過多次測試分析，充分滿足了對輻射源屏蔽效果的要求。同時，其均勻性、力學性能、熱性能優(yōu)異，在轉(zhuǎn)運過程中的安全性也順利通過測試。

END

需要指出的是，每種工藝都有各自的優(yōu)勢與不足。當前激光直接制造鎢金屬塊體在開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用提供高效且高性價比的生產(chǎn)解決方案。

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