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3D打印材料獲突破，升華三維開拓硬質(zhì)合金增材制造新工藝

升華三維 2023-06-28 | 閱讀：369

硬質(zhì)合金是一種復(fù)合材料，通常包括難熔金屬碳化物（鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等的碳化物）和粘結(jié)金屬（鎳、鉬、鎢、鈷等）。硬質(zhì)合金具備優(yōu)良的力學(xué)性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及熱穩(wěn)定性。可用于制造切削刀具、鑿巖工具、采礦工具、鉆孔工具、量具、易損件、金屬磨削工具、氣缸套、精密軸承、噴嘴等，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”。

硬質(zhì)合金的傳統(tǒng)制備方法及難點(diǎn)

硬質(zhì)合金通常采用注射成型、擠壓成型、模壓成型、熱壓、熱等靜壓、火花等離子燒結(jié)等方式制備，特別是擠壓成型有著廣泛的應(yīng)用前景。不過傳統(tǒng)工藝制備硬質(zhì)合金完全依賴模具，且模具成本高、周期長、后續(xù)加工成本高，對硬質(zhì)合金制造成本造成很大影響；另外，如復(fù)雜形狀、多功能/變化功能復(fù)合結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)等硬質(zhì)合金也無法采用常規(guī)方法制備，嚴(yán)重限制了硬質(zhì)合金制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間、材料優(yōu)勢發(fā)揮和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

▲傳統(tǒng)硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)件（來源網(wǎng)絡(luò)）

硬質(zhì)合金因具有高熔點(diǎn)和高硬度特性，從而導(dǎo)致它加工非常困難，常用的粉末冶金等方式只能制造一些形狀結(jié)構(gòu)較簡單的零部件。隨著先進(jìn)制造的快速發(fā)展，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件制造工藝已難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求，開發(fā)更靈活的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方法顯得尤為重要。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為制造形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件提供了新方法，特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。

3D打印制備硬質(zhì)合金方法及特點(diǎn)

3D打印技術(shù)可輕易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀構(gòu)件的生產(chǎn)制備，有望在硬質(zhì)合金的生產(chǎn)應(yīng)用上降低生產(chǎn)成本。目前，硬質(zhì)合金3D打印工藝制造可歸納為兩類技術(shù)路線，一種為基于熱成形技術(shù)的PBF技術(shù)路線：PBF技術(shù)采用高能激光或電子束為熱源，選擇性地?zé)Y(jié)或熔化粉末，逐層成形得到三維實(shí)體零件，主要包括選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)、選區(qū)激光熔化(SLM)、選區(qū)電子束熔化(SEBM)等工藝。另一種為基于硬質(zhì)合金生坯冷打印、脫脂和燒結(jié)工藝的FDS技術(shù)路線：該類技術(shù)充分發(fā)揮了3D打印（冷加工）和粉末冶金脫脂燒結(jié)工藝（熱加工）的優(yōu)勢，采用冷打印成形生坯，再進(jìn)行生坯脫脂、燒結(jié)，制備三維實(shí)體零件。其中，生坯冷打印工藝研究已發(fā)展出粘合劑噴射成形(BJAM)、熔融沉積成型(FDM)和3D凝膠打印成形(3DGP)等3種工藝。

硬質(zhì)合金樣品組合2.png

▲3D打印質(zhì)硬合金樣品（來：升華三維）

PBF技術(shù)路線能夠成功制備接近理論密度、力學(xué)性能良好的硬質(zhì)合金構(gòu)件，但也存在許多的問題：如SLS往往需要后續(xù)處理，如元素熔滲提高綜合性能、SLM易產(chǎn)生裂紋孔洞缺陷；熱成型技術(shù)的重復(fù)加熱冷卻過程會(huì)形成獨(dú)有的微觀組織，影響零件性能，需要通過熱等靜壓和熱處理等后處理手段達(dá)到性能，卻會(huì)帶來額外的時(shí)間和成本，阻礙了3D打印硬質(zhì)合金的發(fā)展進(jìn)程。而基于燒結(jié)的技術(shù)線路制備硬質(zhì)合金構(gòu)件一般不存在明顯的裂紋和孔洞缺陷，組織整體分布均勻，力學(xué)性能優(yōu)良，不過表面粗糙度有待加強(qiáng)。

基于燒結(jié)的PEP工藝制備硬質(zhì)合金

3D打印為開拓硬質(zhì)合金應(yīng)用提供了新的制造路徑。粉末擠出打印技術(shù)（PEP）是由升華三維推出的一種基于燒結(jié)工藝的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)。PEP是在FDM技術(shù)基礎(chǔ)上，再結(jié)合粉末冶金工藝形成的金屬/陶瓷3D打印方法。采用金屬/陶瓷粉體適配粘結(jié)劑通過3D打印專用密煉機(jī)混煉成顆粒材料、然后通過3D打印設(shè)備制備出具有一定密度和強(qiáng)度的生坯，再經(jīng)過3D打印專用脫脂燒結(jié)爐進(jìn)行后處理工藝，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。為硬質(zhì)合金高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造提供有效解決方案。

▲粉末擠出打印技術(shù)（PEP）工藝流程圖

升華三維開發(fā)出了適配PEP工藝3D打印設(shè)備的硬質(zhì)合金材料。是一種呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒金屬-陶瓷復(fù)合材料，具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異性能。可應(yīng)用軍工、航空航天、機(jī)械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、核工業(yè)等領(lǐng)域。

▲硬質(zhì)合金打印材料

PEP工藝為硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用打開新窗口

利用PEP技術(shù)的熱融擠出系統(tǒng)打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)對材料的一體化無模成型，有效縮短了制備周期。PEP工藝不僅不需要昂貴的高能量激光設(shè)備；采用打印與脫脂燒結(jié)分開的工藝模式，還可以利用傳統(tǒng)脫脂燒結(jié)設(shè)備，可極大地減少投入成本；而其低溫成型、高溫成性的特性，很好地解決硬質(zhì)合金3D打印制備過程中極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產(chǎn)品性能一致性；另外基于PEP的3D打印系統(tǒng)采用獨(dú)立雙噴嘴設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和梯度材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的開發(fā)制造。通過PEP工藝制備的硬質(zhì)合金構(gòu)件其致密度、均勻性、力學(xué)性能均能達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)粉末冶金工藝，有望為硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用打開新窗口。

▲3D打印質(zhì)硬合金燒結(jié)性能（來：升華三維）

升華三維一直致力于金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)的推廣與應(yīng)用，在不斷研發(fā)適用于工業(yè)發(fā)展的3D打印技術(shù)及設(shè)備同時(shí)，在3D打印材料開發(fā)上也從未停止探索的腳步。目前已相繼開發(fā)出了適配PEP工藝的不銹鋼、銅及銅合金、鎢及鎢合金、高溫合金、硬質(zhì)合金、難熔金屬等金屬材料，氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、生物陶瓷等陶瓷材料。未來，升華三維將繼續(xù)借助PEP技術(shù)，結(jié)合粉末冶金工藝實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用材料的開發(fā)和制造，解鎖3D打印在更多領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，展現(xiàn)出3D打印的生機(jī)與活力，推動(dòng)我國工業(yè)制造高質(zhì)量發(fā)展。