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▲難熔金屬材料（來源網絡)

相較于傳統工藝制備難熔金屬，增材制造技術能夠經濟且高效地成形復雜形狀的高精密部件。據《難熔金屬材料增材制造工藝研究進展》總結近5年來增材制造制備難熔金屬的研究情況表明，用于難熔金屬制備的3D打印工藝主要涉及SLS、SLM、EBSM、LMD、WAAM這幾種技術，都可以快速實現難熔金屬材料的打印成型。

• 高熔點材料需要更高功率的激光器，投入成本相對更高；

• 而如鎢合金的鎢和鎳、鐵、銅等金屬元素的熔點相差較大，當激光達到的溫度足以熔化金屬鎢時，粘結相如Ni、Fe元素會蒸發，從而導致Ni和Fe成分變化，成分不可控；

• 另外激光瞬時高溫，會導致晶粒異常長大，影響合金性能；

• 同時高溫溫場的不穩定性產生的濺灑現象，也會形成結構上的孔洞、裂紋等缺陷，不適合高性能鎢等難熔金屬結構件的制造。

▲不同方向鎢單激光熔融軌跡開裂的SEM圖像，(a)頂面；(b)側面（來源《COPPER ENGINEERING》)

由升華三維提出的“3D打印+粉末冶金”相結合的間接3D打印技術——粉末擠出打印技術（PEP）。為高性能難熔金屬結構提供了一種更經濟的增材制造方法。采用金屬粉體適配粘結劑配置成顆粒喂料，通過3D打印設備制備成型，再經過粉末冶金的脫脂燒結工藝進行后處理，從而獲得最終致密和性能優異的結構件。適用于生產復雜、高性能的難熔金屬結構件，可提供先進的PEP工藝設備、打印服務及解決方案。

▲粉末擠出3D打印（PEP）技術原理圖

• 采用打印與燒結分開的工藝模式，打印設備利用了螺桿擠出系統，不需要昂貴的高能量激光器件，傳統產業用戶還可以利用原有的脫脂燒結設備，能極大地減少投入成本。

• PEP具有低溫成型、高溫成性的特性，可有效地解決其他3D打印難熔金屬過程中極易出現的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產品性能一致性。

• 相比傳統粉末冶金工藝，充分發揮了3D打印的優勢，實現難熔金屬復雜結構的快速制備，可加快產品的開發與商業化時間。

早在2021年，升華三維就發表了《采用粉末擠出3D打印技術制備高性能96W-2.7Ni-1.3Fe合金零件》的科研成果，以解決難熔金屬成型難的問題。該研究成果是升華三維、天津大學材料學院、中南大學粉末冶金研究院共同完成，相關成果發表在Materials Science & Engineering A 上。

其研究結果表明：

1. PEP技術是通過“3D打印”和“高溫燒結”相結合的新技術，可以制備高比重鎢合金。

2. 通過兩步燒結法，可獲得最佳燒結性能。96W-2.7Ni-1.3Fe的密度可達99.2%±0.2%，且拉伸強度為801MPa,延伸率為22.1%。

3. 熱處理后，性能進一步提高拉伸強度為838MPa，延伸率達到了26.1%。

4. 成分精確可控，無論是在燒結過程還是熱處理過程，都不會產生脆性相。

▲不同燒結條件下的硬度和相對密度

PEP技術在制備難熔金屬方面的應用和研究已經取得一定成就，現已支持多種難熔金屬材料的3D打印，不同材料可通過調節工藝參數而得到高致密的結構件。升華三維擁有為PEP工藝制備打印材料的專業密煉造粒設備，主要采用蠟基粘結劑體系為難熔金屬3D打印材料開發提供支持。

以UPGM-93WNiFe打印材料為例，采用了粒徑為2-3μm的鎢粉，喂料粒徑在2-4mm之間，粉體裝置量為47vol.%，鎢合金打印材料具有高密度、高質量、低成本等優勢，可用于高比重鎢合金復雜結構件的開發制造。

▲升華三維UPGM-93WNiFe打印材料

獨立雙噴嘴3D打印設備優勢：

• 獨立雙噴嘴設計，可同時或輪流打印不同材料；
• 顆粒擠出打印方式，可制備中空結構產品，無需清粉；
• 可基于MIM工藝的材料進行二次開發適配，且材料可重復使用；
• 采用自動進料功能，可實現無人看守長時間打印；
• 自動刷嘴功能，保證打印外觀及質量；
• 無需氣氛，辦公環境即可使用；
  

• 具有熱風腔體恒溫系統和真空吸附平臺，可有效防止翹邊現象。

▲升華三維打印鎢合金樣品（生坯）

打印完成的生坯需要經過脫脂和燒結才能獲得性能。基于PEP技術路線，升華三維已摸索出適合鎢合金等難熔金屬的燒結工藝，并可根據客戶粉體物性調整燒結參數。因燒結溫度低于其他類型的激光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，從而確保了產品性能的一致性。

▲升華三維打印鎢合金樣品（燒結）

以下為UPGM-93WNiFe材料的燒結性能說明，通過PEP打印-脫脂-燒結制備的鎢合金相對密度可達99.6%。燒結后的鎢合金構件，能達到或超過傳統工藝制備性能指標。

▲UPGM-93WNiFe鎢合金燒結件性能參數