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

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

挑戰(zhàn)與機遇并存

挑戰(zhàn)無處不在

通過傳統(tǒng)加工工藝來加工難熔金屬也是充滿挑戰(zhàn)的，一個普遍問題是難熔金屬非常難以通過傳統(tǒng)的制造方法進行加工，例如機械加工和成型。在此與其相對較高的成本之間，難熔金屬的使用長期以來一直僅限于工件形狀相對簡單、材料去除量極少以及高溫合金無法按需發(fā)揮作用的應用。

根據(jù)來自加利福尼亞州的Castheon公司，當前激光粉末床熔化 (LPBF)工藝解決了與難熔金屬和合金相關的大部分可制造性問題。尤其是金屬增材制造技術允許創(chuàng)建拓撲優(yōu)化的輕量級組件，這些組件包含多孔或晶格結構，否則這些組件的設計是不切實際甚至是不可能生產(chǎn)的。

以經(jīng)濟高效的方式制造熔點幾乎是 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了大門。更高的溫度意味著更省油和更持久的燃氣渦輪發(fā)動機，這對商業(yè)航空和發(fā)電行業(yè)至關重要。

3D 打印難熔金屬對高超音速航空制造業(yè)也有應用潛力，根據(jù)3D科學谷的市場了解，美國宇航局、美國空軍和其他機構長期以來一直對商業(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。

不過要想在3D打印難熔金屬這個利基市場取得成功，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，導致高成本和材料稀缺。由于狹窄的操作窗口和“獨特的顆?？刂茩C制”，3D 打印難熔金屬也非常具有挑戰(zhàn)性。

噴氣發(fā)動機，鉭噴嘴段是為英國航天局項目制造的© H.C.Starck

鉬、鎢、鉭和鈮存在的一些挑戰(zhàn)來自它們的體心立方原子結構，它們存在韌脆轉變溫度 (DBTT)。鉬和鎢等金屬具有非常高的 DBTT，這會導致成品零部件中的應力積聚和微裂紋。

應對挑戰(zhàn)的種種策略

對于鍛造材料，可以通過冷加工等熱機械工藝來減輕這些故障模式，但這對于 3D 打印組件來說是不切實際的。解決方法是將難熔金屬與錸、鎳和鐵等元素合金化，以降低韌脆轉變溫度和減少應力。

打印工藝也很重要，例如可以通過加熱構建板減少開裂，這是常見策略，有些機器能夠達到 500 攝氏度或更高。這有可能緩解從液體到固體的轉變，尤其是鉬和鎢，它們具有更高的 DBTT。

同樣重要的是要注意構建室或粉末中的氧氣對構建過程是有害的，因為過多的氧氣會進一步增加 DBTT 和金屬的微裂紋。在金屬增材制造設備中擁有高質(zhì)量的原料和良好的氣氛控制對于打印難熔金屬的成功至關重要。

然而，即使無法消除微裂紋及其導致的結構完整性損失，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)格準直器，它們的機械載荷水平要求與航空航天和軍事應用中的機械載荷水平要求不同。而難熔金屬表現(xiàn)出的優(yōu)異的導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 3,000 攝氏度的溫度下表現(xiàn)出一致的導電性、極高的抗拉強度和最小的變形.

H.C.Starck參與的一個項目是為英國航天局打印一個電阻噴嘴段。該項目被稱為超高溫增材制造 Resistojets，或 STAR。（阻力噴氣式發(fā)動機是一種簡單的電力推進系統(tǒng)，它通過加熱流體來產(chǎn)生推力。）

這個用于反應控制系統(tǒng)的推進器是用鈮合金 3D 打印的© Castheon

據(jù)了解，金屬增材制造難熔金屬的開發(fā)項目帶來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。一個富有想象力的應用空間是，將開發(fā)出“預合金”金屬，在 3D 打印時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，也獲得了越來越多的應用探索。

拿鎢組件的 3D 打印來說，出了LPBF選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術，還可以通過EBM電子束技術來增材制造鎢組件。國內(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)也在開發(fā)鎢金屬材料的增材制造應用。鉑力特已利用SLM 3D打印設備開發(fā)出了鎢合金3D打印零件，零件整體采用薄壁結構，最小壁厚僅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技術開展了對WC-Co硬質(zhì)合金層-金剛石復合材料組分以及材料增材制造工藝參數(shù)的研究，該技術旨在解決硬質(zhì)合金刀具涂層剝落的問題，利用增材制造工藝與材料，實現(xiàn)金剛石涂層材料與WC-Co硬質(zhì)合金層以化學鍵方式的結合。