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難熔金屬制成的PBF 3D打印零部件面面觀

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使用難熔金屬進(jìn)行3D打印是充滿挑戰(zhàn)的，特別是像鎢、鉻、錸這類熔點(diǎn)很高的金屬，更別提納米級(jí)粉末顆粒了。然而，這些金屬——鉬、鈮、鉭、鎢和錸——不僅具有極強(qiáng)的耐熱性和耐腐蝕性，而且即使在高溫下也能保持其結(jié)構(gòu)完整性。這使它們成為一系列具有挑戰(zhàn)性的航空航天、工業(yè)和科學(xué)用途的絕佳選擇。

用鈮等難熔金屬 3D 打印復(fù)雜的雙壁渦輪葉片的能力為顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度鋪平了道路©Castheon

挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

挑戰(zhàn)無(wú)處不在

通過(guò)傳統(tǒng)加工工藝來(lái)加工難熔金屬也是充滿挑戰(zhàn)的，一個(gè)普遍問(wèn)題是難熔金屬非常難以通過(guò)傳統(tǒng)的制造方法進(jìn)行加工，例如機(jī)械加工和成型。在此與其相對(duì)較高的成本之間，難熔金屬的使用長(zhǎng)期以來(lái)一直僅限于工件形狀相對(duì)簡(jiǎn)單、材料去除量極少以及高溫合金無(wú)法按需發(fā)揮作用的應(yīng)用。

根據(jù)來(lái)自加利福尼亞州的Castheon公司，當(dāng)前激光粉末床熔化 (LPBF)工藝解決了與難熔金屬和合金相關(guān)的大部分可制造性問(wèn)題。尤其是金屬增材制造技術(shù)允許創(chuàng)建拓?fù)鋬?yōu)化的輕量級(jí)組件，這些組件包含多孔或晶格結(jié)構(gòu)，否則這些組件的設(shè)計(jì)是不切實(shí)際甚至是不可能生產(chǎn)的。

以經(jīng)濟(jì)高效的方式制造熔點(diǎn)幾乎是 INCONEL、哈氏合金和其他流行的耐熱高溫合金 (HRSA) 兩倍的金屬部件，金屬3D打印難熔金屬為一些令人興奮的可能性打開(kāi)了大門。更高的溫度意味著更省油和更持久的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，這對(duì)商業(yè)航空和發(fā)電行業(yè)至關(guān)重要。

3D 打印難熔金屬對(duì)高超音速航空制造業(yè)也有應(yīng)用潛力，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，美國(guó)宇航局、美國(guó)空軍和其他機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)商業(yè)和軍事用途的持續(xù)高超音速飛行感興趣，然而，直到最近，才可能將難熔金屬制造成支持 5 馬赫及以上速度所需的復(fù)雜形狀。

根據(jù)Castheon公司，金屬增材制造不僅可以制造出各種適合3D打印的復(fù)雜形狀，而且鈮基合金比它們的鍛造合金要穩(wěn)定得多。在 1,300 攝氏度的溫度下，它們的拉伸強(qiáng)度是其 1.8 倍。其他難熔金屬，如鎢和錸，也表現(xiàn)出類似的好處。

不過(guò)要想在3D打印難熔金屬這個(gè)利基市場(chǎng)取得成功，還是充滿挑戰(zhàn)的。難熔金屬合金和粉末的生產(chǎn)是充滿挑戰(zhàn)的，導(dǎo)致高成本和材料稀缺。由于狹窄的操作窗口和“獨(dú)特的顆粒控制機(jī)制”，3D 打印難熔金屬也非常具有挑戰(zhàn)性。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，鉭噴嘴段是為英國(guó)航天局項(xiàng)目制造的© H.C.Starck

鉬、鎢、鉭和鈮存在的一些挑戰(zhàn)來(lái)自它們的體心立方原子結(jié)構(gòu)，它們存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度 (DBTT)。鉬和鎢等金屬具有非常高的 DBTT，這會(huì)導(dǎo)致成品零部件中的應(yīng)力積聚和微裂紋。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的種種策略

對(duì)于鍛造材料，可以通過(guò)冷加工等熱機(jī)械工藝來(lái)減輕這些故障模式，但這對(duì)于 3D 打印組件來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。解決方法是將難熔金屬與錸、鎳和鐵等元素合金化，以降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度和減少應(yīng)力。

打印工藝也很重要，例如可以通過(guò)加熱構(gòu)建板減少開(kāi)裂，這是常見(jiàn)策略，有些機(jī)器能夠達(dá)到 500 攝氏度或更高。這有可能緩解從液體到固體的轉(zhuǎn)變，尤其是鉬和鎢，它們具有更高的 DBTT。

同樣重要的是要注意構(gòu)建室或粉末中的氧氣對(duì)構(gòu)建過(guò)程是有害的，因?yàn)檫^(guò)多的氧氣會(huì)進(jìn)一步增加 DBTT 和金屬的微裂紋。在金屬增材制造設(shè)備中擁有高質(zhì)量的原料和良好的氣氛控制對(duì)于打印難熔金屬的成功至關(guān)重要。

然而，即使無(wú)法消除微裂紋及其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)完整性損失，難熔金屬仍然可以發(fā)揮重要作用。

例如，鎢被廣泛用于 X 射線和 CT 掃描儀中的抗散射網(wǎng)格準(zhǔn)直器，它們的機(jī)械載荷水平要求與航空航天和軍事應(yīng)用中的機(jī)械載荷水平要求不同。而難熔金屬表現(xiàn)出的優(yōu)異的導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，使其非常適合用于熱交換器和用于種植藍(lán)寶石的坩堝。

再例如，由于其低 DBTT 和耐高溫性，鉭和鉭鎢合金 (Ta10W) 被選作衛(wèi)星組件，要求其在超過(guò) 3,000 攝氏度的溫度下表現(xiàn)出一致的導(dǎo)電性、極高的抗拉強(qiáng)度和最小的變形.

H.C.Starck參與的一個(gè)項(xiàng)目是為英國(guó)航天局打印一個(gè)電阻噴嘴段。該項(xiàng)目被稱為超高溫增材制造 Resistojets，或 STAR。（阻力噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)是一種簡(jiǎn)單的電力推進(jìn)系統(tǒng)，它通過(guò)加熱流體來(lái)產(chǎn)生推力。）

這個(gè)用于反應(yīng)控制系統(tǒng)的推進(jìn)器是用鈮合金 3D 打印的© Castheon

據(jù)了解，金屬增材制造難熔金屬的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目帶來(lái)了難以置信的靈活性，創(chuàng)建定制合金混合物的能力也是如此。一個(gè)富有想象力的應(yīng)用空間是，將開(kāi)發(fā)出“預(yù)合金”金屬，在 3D 打印時(shí)提供了更好的一致性。例如，鈦-鋯-鉬是一種流行的醫(yī)用合金，而鉬鑭、鎢錸和鈮基合金 C-103，也獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用探索。

拿鎢組件的 3D 打印來(lái)說(shuō)，出了LPBF選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)，還可以通過(guò)EBM電子束技術(shù)來(lái)增材制造鎢組件。國(guó)內(nèi)企業(yè)中，西安鉑力特、湖南伊澍智能制造等少數(shù)企業(yè)也在開(kāi)發(fā)鎢金屬材料的增材制造應(yīng)用。鉑力特已利用SLM 3D打印設(shè)備開(kāi)發(fā)出了鎢合金3D打印零件，零件整體采用薄壁結(jié)構(gòu)，最小壁厚僅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技術(shù)開(kāi)展了對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金層-金剛石復(fù)合材料組分以及材料增材制造工藝參數(shù)的研究，該技術(shù)旨在解決硬質(zhì)合金刀具涂層剝落的問(wèn)題，利用增材制造工藝與材料，實(shí)現(xiàn)金剛石涂層材料與WC-Co硬質(zhì)合金層以化學(xué)鍵方式的結(jié)合。