難熔金屬制成的PBF 3D打印零部件面面觀
魔猴君 行業(yè)資訊 1155天前
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(gè)普遍問題是難熔金屬非常難以通過傳統(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法按需發(fā)揮作用的應(yīng)用。
根據(jù)來自加利福尼亞州的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??刂茩C(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,可以通過冷加工等熱機(jī)械工藝來減輕這些故障模式,但這對(duì)于 3D 打印組件來說是不切實(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,例如可以通過加熱構(gòu)建板減少開裂,這是常見策略,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)建過程是有害的,因?yàn)檫^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 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),它通過加熱流體來產(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發(fā)項(xiàng)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(gè)富有想象力的應(yīng)用空間是,將開發(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,也獲得了越來越多的應(yīng)用探索。
通過LPBF,Binder Jetting技術(shù)打印的鎢零件© H.C.Starck
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(shù),還可以通過EBM電子束技術(shù)來增材制造鎢組件。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。
總之,在3D打印難熔金屬,這里的潛力是巨大的,尤其是在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域,一切才剛剛開始。
來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/40770.html