弥补钨合金制造的不足,升华三维提供基于烧结的3D打印解决方案

发布日期:2024-05-31
来源:升华三维市场部

常见工艺制造钨合金存在的不足


钨合金是一种以钨为硬质相,以镍、铁、铜为粘结相的合金。钨合金传统制造工艺一般是经过粉末冶金制坯、挤压、锻造、轧制、旋压和拉拔等加工成材。但因其熔点高、硬度大和脆性大的特点,而很难加工,甚至无法制备出形状复杂的钨零件。近年来3D打印技术的出现为制造形状复杂的钨零件提供有效方法。


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传统工艺制备钨合金的结构简单


在3D打印中,如常见的选区激光熔化(SLM)或电子束选区熔化(EBM)都能将金属粉末直接打印成最终零件,在金属钛和不锈钢等材料上都已经获得了成功应用。但是对于钨合金来说,使用SLM或EBM加工仍存在一定不足,因为钨和镍、铁、铜等金属元素的熔点相差较大,分别为3410°C和1453°C、1538°C、1083°C。具体来说,当激光达到的温度足以熔化金属钨时,粘结剂如Ni、Fe元素会蒸发,从而导致Ni和Fe成分变化,成分不可控。另外由于激光瞬间高温,导致钨晶粒异常长大,从而钨晶粒粗大,影响合金性能,不适合高性能钨金属结构件的制造。


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▲激光3D打印的钨存在缺陷


基于烧结的钨合金3D打印制造方案


而基于烧结的增材工艺为钨合金制造提供了一种新的3D打印解决方案。由升华三维提出的“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)。PEP采用金属/陶瓷粉体适配粘结剂通过3D打印专用密炼机混炼成颗粒材料、然后通过3D打印设备制备出具有一定密度和强度的生坯,再经过3D打印专用脱脂烧结炉进行后处理工艺,从而获得最终致密和性能优异的结构件。为解决钨合金机械加工及复杂结构生产难等问题提供全新的解决途径


打印材料的开发


升华三维根据金属/陶瓷粉体的物性(粒径分布、形貌、比表面积等)和产品的性能要求,选择合适的粘接剂配方体系(水基、塑基、蜡基等)进行适配,通过密炼机充分混合密炼高分子粘结剂与金属/陶瓷粉末,最后通过造粒机制备得到粒径可控的颗粒料材料。开发出适配升华三维3D打印机的材料。UPGM-93WNIFE钨合金颗粒料是升华自主研发的一种金属聚合物复合材料,呈灰色,粒径在8-14目的近球形颗粒,可应用于航空航天、军事国防、核工业、工业制造及饰品等领域的钨金属结构件开发制造。


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3D打印成型

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▲升华三维3D打印设备


基于PEP技术,以按照模型设计 →工艺经验评估/软件模拟 → 原型法验证 → 生坯打印的规范生产流程。通过升华三维3D打印机系统将颗粒料加热成熔融膏状,再挤压并逐层堆积成形,可得到高精度并具有一定密度和强度的生坯。该系统可实现大尺寸(最大成型体积:500×500×600mm)钨金属结构件打印,且具有热风腔体恒温系统和真空吸附平台,可有效防止翘边现象。打印成型后,生坯还需要进行脱脂和烧结过程。


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▲3D打印工艺参数

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▲UPGM-93WNIFE钨合金生坯样品


脱脂工艺


脱脂的作用是从3D打印后的生坯中去除大部分粘结剂聚合物。脱脂工艺包括水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂。脱脂过程相对简单,将生胚浸泡于适量的脱脂剂里一段时间,被去除粘结剂聚合物的生坯称之为棕胚,将被送至烧结环节从而得到致密的金属/陶瓷结构部件。升华三维目前已拥有成熟的蜡基93W-NiFe打印材料。如下图所示,在脱脂环节,使用“溶剂脱脂工艺”,溶解脱除粘接剂B;脱脂后,残留的粘接剂A,使棕坯具有一定的强度,以方便转运。而残留的粘接剂A,将在后续烧结过程中高温去除。


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▲脱脂工艺图示


烧结工艺

获得的棕坯因在脱脂后存在一定的空隙,其强度和密度较低。基于PEP技术路线已摸索出合适的烧结工艺,并可根据客户粉体物性调整烧结工艺参数。通过烧结,残余的粘结剂聚合物首先在适当的加热温度下被去除。当温度升高到金属/陶瓷粒子的熔点以上时,这些粒子开始熔化并增长到密度达到近乎致密。因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度,并且热量可以更均匀地施加,从而确保了产品性能的一致性。


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▲UPGM-93WNIFE钨合金烧结件力学性能


需要注意的是,在烧结过程中,由于粘结剂聚合物的去除和材料颗粒的生长,会发生一定比率的收缩,但收缩率是恒定的,UPGM93W-NiFe的收缩比率约23%。设计和成型步骤将按比例放大,以补偿在烧结步骤中的收缩。烧结后的钨合金构件,能达到或超过传统工艺制备性能指标。

PEP工艺有别于传统的SLM金属3D打印技术,其兼具了3D打印和粉末冶金的双重优点,通过3D打印解决了钨合金复杂结构成形难问题,再经过成熟粉末冶金的脱脂烧结工艺,从而获得最终致密和性能优异的钨合金产品。能够很好弥补其他工艺制造的不足。


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▲UPGM-93WNIFE钨合金烧结样品


提供钨合金打印服务


升华三维已具有完备制造钨合金产品的增材制造工艺链,现已推出了钨合金打印服务,不再需要投入巨额加工设备成本,即可实现高质量、高性能的钨合金产品快速制造。为航空航天、国防工业、核工业及医疗等应用领域在钨金属加工制造及灵活设计开拓新方向。


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