钨合金的应用及制造难点

钨合金是一类以钨为基（含钨量为85% ~99%），并添加有少量Ni. Cu、 Fe. Co. Mo、Cr等元素组成的合金，其密度高达16.5~ 18.75g/cm3，也被称为高比重合金、重合金或高密度钨合金。

▲高比重钨合金主要产品及用途

粉末冶金作为制造高比重钨合金产品发展成熟的主流生产工艺，在国防工业、航空航天、医疗、石油钻井、电子电气等领域均有较好的应用前景。不过因其熔点高、硬度大等特点，传统工艺很难加工，甚至无法制备出形状复杂的钨结构件。随着中国制造的高速发展，传统制造亟待转型升级，3D打印技术的应用为制造形状复杂的钨合金结构提供了有效补充。

PEP技术制备高比重钨合金的特点

由升华三维提出的“3D打印+粉末冶金”相结合的金属间接3D打印技术——粉末挤出打印技术（PEP）。采用钨合金粉体适配粘结剂，通过3D打印设备制备成型，再经过粉末冶金的脱脂烧结工艺进行后处理，从而获得最终致密和性能优异的结构件。为解决钨合金机械加工及复杂结构生产难等问题提供全新的解决方案。

PEP的优势主要体现在：

• 相比传统粉末冶金工艺，可以大大加快了产品的开发与商业化时间，原型制作过去需要6-12个月，而现在开发到商业化的交货时间仅需几周;

• 不需要昂贵的高能量激光设备；采用打印与烧结分开的工艺模式，可以充分利用粉末冶金的前后处理设备工艺，极大地减少了投入成本；

• 而其低温成型、高温成性的特性，很好地解决了其他3D打印钨合金过程中极易出现的变形、裂纹、孔洞等问题，从而确保了产品性能一致性。

PEP制备高比重钨合金的主要工艺流程

打印材料制备

升华三维拥有为PEP工艺制备打印材料的专业密炼造粒设备。采用粒径为2-3μm的钨粉，已开发出了成熟的蜡基体系UPGM-93WNiFe打印材料，其粒径在2-4mm之间，粉体装置量为47vol.%，且支持不同成分钨合金材料的定制。

▲升华三维UPGM-93WNiFe打印材料

3D打印成型

通过升华三维3D打印设备UPS-556采用颗粒熔融挤出成型方式，打印具有有一定密度和强度的生坯。该设备可实现大尺寸（500×500×600mm）钨结构件打印，生坯密度可达8.51g/cm3,且具有热风腔体恒温系统和真空吸附平台，可有效防止翘边现象。可实现连续7天打印，为稳定地制备大尺寸钨合金复杂结构件提供了有力支撑。

▲PEP打印钨合金参数

烧结获得性能

打印完成的钨合金坯体需要经过脱脂和烧结才能获得性能。基于PEP技术路线，升华三维已摸索出合适的钨合金烧结工艺，并可根据客户粉体物性调整烧结参数。因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性。

▲PEP打印的钨合金烧结样品

高比重钨合金的烧结工艺，根据关键温度点主要可分为三个阶段：

• 1100℃：是钨还原的关键阶段，在此温度下通入氢气保温可以将合金粉中残留的氧还原以提高合金性能；

• 1350℃：为固相烧结，为液相烧结提供相对致密的骨架，有助于抑制液相烧结时的溶解析出和钨颗粒的聚集长大，此外，在此阶段合金就会有较大幅度的收缩，保温可以给予合金足够的时间进行收缩，以防开裂；

• 1460 ℃：是液相烧结的温度，在此阶段保温，给予足够的时间让液相铺展，填充孔隙以达到致密。

▲高比重钨合金-热脱脂-烧结工艺曲线图

由升华三维制造的93WNiFe结构件，能达到甚至超过传统工艺制备性能指标。通过PEP打印-脱脂-烧结制备的钨合金样品相对密度可达99.6%。此外，由于在烧结过程中，粘结剂聚合物的去除和材料颗粒的生长，会发生23%以内的恒定收缩，因此会在设计阶段就会对收缩变化做好等比例的放大补偿，以确保最终成品的尺寸精度。

▲UPGM-93WNiFe钨合金烧结件性能参数

提供钨合金增材制造方案及打印服务

升华三维已具有完整的钨合金产品增材制造解决方案及打印服务能力，不再需要投入巨额加工设备成本，即可实现高质量、高性能钨合金产品的快速制造。为航空航天、国防工业、核工业及医疗等应用领域在钨合金的灵活设计和加工制造拓宽高质量发展之路。