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鎢合金的應(yīng)用及制造難點(diǎn)

鎢合金是一類以鎢為基（含鎢量為85% ~99%），并添加有少量Ni. Cu、 Fe. Co. Mo、Cr等元素組成的合金，其密度高達(dá)16.5~ 18.75g/cm3，也被稱為高比重合金、重合金或高密度鎢合金。

▲高比重鎢合金主要產(chǎn)品及用途

粉末冶金作為制造高比重鎢合金產(chǎn)品發(fā)展成熟的主流生產(chǎn)工藝，在國防工業(yè)、航空航天、醫(yī)療、石油鉆井、電子電氣等領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景。不過因其熔點(diǎn)高、硬度大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝很難加工，甚至無法制備出形狀復(fù)雜的鎢結(jié)構(gòu)件。隨著中國制造的高速發(fā)展，傳統(tǒng)制造亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用為制造形狀復(fù)雜的鎢合金結(jié)構(gòu)提供了有效補(bǔ)充。

PEP技術(shù)制備高比重鎢合金的特點(diǎn)

由升華三維提出的“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬間接3D打印技術(shù)——粉末擠出打印技術(shù)（PEP）。采用鎢合金粉體適配粘結(jié)劑，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(jìn)行后處理，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。為解決鎢合金機(jī)械加工及復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)難等問題提供全新的解決方案。

PEP的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

• 相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝，可以大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時(shí)間，原型制作過去需要6-12個(gè)月，而現(xiàn)在開發(fā)到商業(yè)化的交貨時(shí)間僅需幾周;

• 不需要昂貴的高能量激光設(shè)備；采用打印與燒結(jié)分開的工藝模式，可以充分利用粉末冶金的前后處理設(shè)備工藝，極大地減少了投入成本；

• 而其低溫成型、高溫成性的特性，很好地解決了其他3D打印鎢合金過程中極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產(chǎn)品性能一致性。

PEP制備高比重鎢合金的主要工藝流程

打印材料制備

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。采用粒徑為2-3μm的鎢粉，已開發(fā)出了成熟的蠟基體系UPGM-93WNiFe打印材料，其粒徑在2-4mm之間，粉體裝置量為47vol.%，且支持不同成分鎢合金材料的定制。

▲升華三維UPGM-93WNiFe打印材料

3D打印成型

通過升華三維3D打印設(shè)備UPS-556采用顆粒熔融擠出成型方式，打印具有有一定密度和強(qiáng)度的生坯。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)大尺寸（500×500×600mm）鎢結(jié)構(gòu)件打印，生坯密度可達(dá)8.51g/cm3,且具有熱風(fēng)腔體恒溫系統(tǒng)和真空吸附平臺(tái)，可有效防止翹邊現(xiàn)象?？蓪?shí)現(xiàn)連續(xù)7天打印，為穩(wěn)定地制備大尺寸鎢合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供了有力支撐。

▲PEP打印鎢合金參數(shù)

燒結(jié)獲得性能

打印完成的鎢合金坯體需要經(jīng)過脫脂和燒結(jié)才能獲得性能?；赑EP技術(shù)路線，升華三維已摸索出合適的鎢合金燒結(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直接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。

▲PEP打印的鎢合金燒結(jié)樣品

高比重鎢合金的燒結(jié)工藝，根據(jù)關(guān)鍵溫度點(diǎn)主要可分為三個(gè)階段：

• 1100℃：是鎢還原的關(guān)鍵階段，在此溫度下通入氫氣保溫可以將合金粉中殘留的氧還原以提高合金性能；

• 1350℃：為固相燒結(jié)，為液相燒結(jié)提供相對(duì)致密的骨架，有助于抑制液相燒結(jié)時(shí)的溶解析出和鎢顆粒的聚集長大，此外，在此階段合金就會(huì)有較大幅度的收縮，保溫可以給予合金足夠的時(shí)間進(jìn)行收縮，以防開裂；

• 1460 ℃：是液相燒結(jié)的溫度，在此階段保溫，給予足夠的時(shí)間讓液相鋪展，填充孔隙以達(dá)到致密。

▲高比重鎢合金-熱脫脂-燒結(jié)工藝曲線圖

由升華三維制造的93WNiFe結(jié)構(gòu)件，能達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標(biāo)。通過PEP打印-脫脂-燒結(jié)制備的鎢合金樣品相對(duì)密度可達(dá)99.6%。此外，由于在燒結(jié)過程中，粘結(jié)劑聚合物的去除和材料顆粒的生長，會(huì)發(fā)生23%以內(nèi)的恒定收縮，因此會(huì)在設(shè)計(jì)階段就會(huì)對(duì)收縮變化做好等比例的放大補(bǔ)償，以確保最終成品的尺寸精度。

▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結(jié)件性能參數(shù)

提供鎢合金增材制造方案及打印服務(wù)

升華三維已具有完整的鎢合金產(chǎn)品增材制造解決方案及打印服務(wù)能力，不再需要投入巨額加工設(shè)備成本，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高性能鎢合金產(chǎn)品的快速制造。為航空航天、國防工業(yè)、核工業(yè)及醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域在鎢合金的靈活設(shè)計(jì)和加工制造拓寬高質(zhì)量發(fā)展之路。