鎢金屬的3D打印工藝參數(shù)研究

鎢金屬的3D打印工藝參數(shù)研究

    在金屬3D打印領(lǐng)域，有一種尚未普遍實(shí)現(xiàn)增材制造應(yīng)用的金屬材料是鎢。鎢（簡稱W）是一種稀有的高熔點(diǎn)金屬，它具有很高的耐腐蝕性，是電子、電光源、化學(xué)處理、航天以及武器行業(yè)的理想材料。然而，也正是由于高熔點(diǎn)和高硬度的特性，使鎢成為一種難加工材料，也難以通過金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行增材制造。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，在市場(chǎng)上已有公司實(shí)現(xiàn)了鎢金屬的3D打印，但是市場(chǎng)上有關(guān)3D打印工藝參數(shù)對(duì)鎢粉末材料的影響的研究仍然很少。

為了探究工藝參數(shù)對(duì)鎢材料加工的影響，來自GTP（Global Tungsten Powder）和Incodema3D等公司的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)題為“直接金屬激光燒結(jié)/選區(qū)激光熔融鎢粉（Direct Metal Laser Sintering / Selective Laser Melting of Tungsten Powders）”的研究，目的是確定影響鎢粉致密化的關(guān)鍵工藝參數(shù)，這對(duì)于制造具有良好機(jī)械性能的復(fù)雜零件至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)低表觀密度或低球形粉末作為選區(qū)激光熔融3D打印原材料的可行性進(jìn)行了研究。

激光功率為影響鎢粉致密化的關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，研究人員使用兩種樣品進(jìn)行比較，一種是低表觀密度粉末，一種是具有高球形度高表觀密度粉末。研究人員使用EOSINT M 280 3D打印機(jī)為每種粉末創(chuàng)建了16個(gè)立方體樣件，共計(jì)32個(gè)樣件。隨后使用掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，并使用軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

鎢金屬的3D打印工藝參數(shù)研究

200W激光功率時(shí)，平行（頂部）和垂直（底部）激光掃描方向的微結(jié)構(gòu)。

終，激光功率被確定為影響鎢粉致密化的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于低表現(xiàn)密度和高表觀密度的鎢粉末樣品，激光功率對(duì)于終密度變化的影響分別占92％和70％。

200W激光功率時(shí)，頂部和底部粉末激光掃描方向的SEM顯微照片。

   3D科學(xué)谷進(jìn)一步了解到“在激光功率為200 W和250 W時(shí)，與表觀密度較低的粉末相比，表觀密度高的鎢粉的致密化程度顯著提高，然而，在300 W的激光功率下，兩種鎢粉的致密化程度相似，在該研究中獲得了96％的大相對(duì)密度?！?這表明，低表觀密度鎢粉可通過選區(qū)激光熔融技術(shù)進(jìn)行3D打印。

鎢材料本身具有很多優(yōu)良的特性，在眾多領(lǐng)域有著不可替代的作用，是一種戰(zhàn)略性資源，如果可以克服難加工的瓶頸，其發(fā)展前景不可小覷。由于增材制造能夠創(chuàng)造復(fù)雜的幾何形狀，對(duì)于鎢材料加工來說是個(gè)不錯(cuò)的選擇，利用這一技術(shù)可以開辟鎢的新應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)于鎢材料3D打印工藝參數(shù)的研究也可應(yīng)用于其他具有高熔點(diǎn)的材料，如鉬，鈮等，以開拓高硬度高熔點(diǎn)材料的加工與應(yīng)用。

鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3410℃，是典型的難熔金屬，難成形材料。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，飛利浦旗下的Smit R?ntgen(現(xiàn)為 Dunlee )公司已通過金屬3D打印設(shè)備制造了一系列純鎢零件。在過去的10年內(nèi)，Smit R?ntgen逐步地投資3D打印技術(shù)，并成為世界上首家將純鎢用于批量3D打印的公司。

作為醫(yī)療成像元件制造商，Smit R?ntgen通過選區(qū)激光熔融金屬3D打印技術(shù)制造針孔準(zhǔn)直器等用于X射線設(shè)備的鎢零件。3D打印對(duì)于生成薄壁零件十分有效，這給準(zhǔn)直孔徑角和形狀帶來極大地制造自由度。

國內(nèi)企業(yè)中，西安鉑力特、華曙、江蘇永年激光燈高科企業(yè)也在開發(fā)鎢金屬材料的增材制造應(yīng)用。其中，永年激光、鉑力特已利用選區(qū)激光熔融3D打印設(shè)備開發(fā)出了鎢合金3D打印零件，零件整體采用薄壁結(jié)構(gòu)，小壁厚僅0.1mm。

以上提及的所有鎢金屬3D打印技術(shù)均是選區(qū)激光熔融技術(shù)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，GE 正在基于電子束熔融3D打印技術(shù)開發(fā)鎢金屬3D打印材料。GE增材制造推出了一種高通量的電子束熔融增材制造系統(tǒng)-Arcam EBM Spectra H，這款設(shè)備用于處理高溫合金材料的加工，Spectra H能夠在超過1000°C的溫度下生產(chǎn)更大的零部件。Arcam EBM Spectra H針對(duì)產(chǎn)業(yè)化需求而生，材料方面目前可支持TiAl和718合金，并將從2019年開始適用于鎳基超合金的加工。當(dāng)然，GE增材制造并不滿足于這些，GE的材料科學(xué)小組目前正在研究更寬范圍的高溫材料，包括鎳基高溫合金、鎢、鈷鉻合金、不銹鋼和金屬基復(fù)合材料。