粉末挤出打印技术，另辟蹊径应对钨金属的难加工挑战

| 3DScienceValley · 2023/03/08

钨及钨合金是典型的难熔金属和难成形材料。超高的密度、硬度、光泽度和质感，耐腐蚀性、延展性及导热性好，电性能优良，抗拉强度高，低热膨胀，吸收射线能力强，被广泛应用于医疗器械、国防军工、航空航天、电子信息、能源、化工冶金、核工业等诸多领域。长久以来钨产品加工对于钨行业内的人来说亦是难题，加工工艺也仅局限于传统的粉末冶金方式，如何实现其快速原型制造一直属于极具挑战性的工作。因其熔点高、硬度大和脆性大的特点，导致极其容易出现变形、裂痕和夹心等缺陷，甚至无法制备出形状复杂的钨零件。如何攻克钨的加工难问题是业内不断探索的重点。

近年随着医疗器械、国防军工和航空航天等领域的快速发展，对钨材零部件结构提出更高要求，如具有薄壁、曲面、弯曲管道、孔和槽等特征，利用传统制造技术制备钨基金属产品，主要存在以下问题：1、由于较高的熔点和低温脆性，一般的铸造和机加工方法无法制备钨或钨合金材；2、即使采用粉末冶金方法，所得常规烧结态的钨材存在密度低、强度低、塑性差以及杂质含量难以控制等缺点；3、钨材零部件的结构有薄壁、曲面、孔、槽以及弯曲管道等特征，采用粉末冶金方法难以实现成形。

增材制造-3D打印技术为钨金属的应用提供了独特的几何设计自由和快速原型制作能力。粉末床选区激光熔化（L-PBF），激光能量沉积（DED），以及粉末床电子束熔融（EBM）是迄今常见的钨金属直接增材制造技术。前两种技术是通过激光能融化钨粉末材料，后一种技术则是通过电子能量熔化钨粉末材料。然而，作为第一种难熔、难成形金属，钨金属的直接增材制造技术在得到快速发展的同时，仍伴随着挑战，增材制造领域已通过多种途径来应对这些挑战，并在一定程度上取得了突破。

增材制造领域还有另一种思路来克服钨的加工难题，即粘结剂喷射、材料挤出等间接3D打印技术进行钨及钨合金的增材制造。其中，升华三维提出了一种首创的“3D打印+粉末冶金”相结合的金属间接3D打印技术——粉末挤出打印技术（PEP），并在钨合金零件制造领域获得了进展。本期，3D科学谷将分享粉末挤出打印技术的原理及该技术在钨合金增材制造潜在应用。

3D打印与钨合金高端装备应用

3D打印技术作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术，3D打印的发展受到社会各界的广泛关注。近年来，3D打印技术日益受到重视，关键技术研究不断取得突破，性能不断提升。特别是钨合金优良的综合性能，在医疗器械、国防军工和航空航天等高端装备领域的应用都取得重要进展，并进入发展与应用的快车道。但3D打印技术尚处于技术发展阶段，还存在可打印原材料少，打印精度较低速度较慢，打印成本高等问题，制约了其在高端装备中的进一步应用。随着材料技术，高精度控制技术，高效制造技术等关键技术的发展与进步，3D打印技术必将在相关领域发展中发挥更大的作用。

3D打印技术与传统制造相比，3D打印具有小批量制造成本低、速度快，复杂制造能力好，材料利用率高，适应性好等优点。3D打印技术制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、微通道、拓扑优化设计、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。3D打印将在高端装备的设计，复杂、昂贵部件的制造，以及维修保障等方面得到广泛的应用，对高端装备发展产生积极的影响。

PEP技术，为攻克钨加工难探索新出路

然而，钨的特殊之处在于它的熔点可高达3410℃，且硬度极高，这是钨及其制品能够被广泛应用在高端装备领域的重要优势之一。不过在3D打印领域当中，钨材料的加工也成为了需要攻克的一大技术难点。

为解决这一问题，升华三维通过首创的“3D打印+粉末冶金”相结合的金属·陶瓷间接3D打印技术——粉末挤出打印技术（PEP）：利用3D打印的技术优势，实现钨基金属材料的无模成型，打印出具有复杂结构优化、轻量化设计、点阵结构及一体成型的结构件生坯，然后再结合粉末冶金的脱脂烧结等工艺进行后处理，获得最终的高性能部件。PEP技术具有低温成形，高温成性的特点，可以确保产品性能的一致性，从而获得满足实际应用需求的产品。

升华三维在成功攻克钨合金制备难点的同时，还自主研发了一种钨合金3D打印颗粒料UPGM-96WNIFE，可用于生产钨合金部件。利用PEP技术的3D打印设备热融挤出系统有效实现对材料的复杂结构一体化成形控制。采用打印与脱脂烧结分开的工艺模式，不仅缩短了制备周期，并且很好地解决钨材料加工中极易出现的变形、裂痕、夹心等问题。为钨加工制造探索新出路，有助于进一步推动高端装备应用的快速发展。