▲难熔金属材料（来源网络)

相较于传统工艺制备难熔金属，增材制造技术能够经济且高效地成形复杂形状的高精密部件。据《难熔金属材料增材制造工艺研究进展》总结近5年来增材制造制备难熔金属的研究情况表明，用于难熔金属制备的3D打印工艺主要涉及SLS、SLM、EBSM、LMD、WAAM这几种技术，都可以快速实现难熔金属材料的打印成型。

• 高熔点材料需要更高功率的激光器，投入成本相对更高；

• 而如钨合金的钨和镍、铁、铜等金属元素的熔点相差较大，当激光达到的温度足以熔化金属钨时，粘结相如Ni、Fe元素会蒸发，从而导致Ni和Fe成分变化，成分不可控；

• 另外激光瞬时高温，会导致晶粒异常长大，影响合金性能；

• 同时高温温场的不稳定性产生的溅洒现象，也会形成结构上的孔洞、裂纹等缺陷，不适合高性能钨等难熔金属结构件的制造。

▲不同方向钨单激光熔融轨迹开裂的SEM图像，(a)顶面；(b)侧面（来源《COPPER ENGINEERING》)

由升华三维提出的“3D打印+粉末冶金”相结合的间接3D打印技术——粉末挤出打印技术（PEP）。为高性能难熔金属结构提供了一种更经济的增材制造方法。采用金属粉体适配粘结剂配置成颗粒喂料，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。适用于生产复杂、高性能的难熔金属结构件，可提供先进的PEP工艺设备、打印服务及解决方案。

▲粉末挤出3D打印（PEP）技术原理图

• 采用打印与烧结分开的工艺模式，打印设备利用了螺杆挤出系统，不需要昂贵的高能量激光器件，传统产业用户还可以利用原有的脱脂烧结设备，能极大地减少投入成本。

• PEP具有低温成型、高温成性的特性，可有效地解决其他3D打印难熔金属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。

• 相比传统粉末冶金工艺，充分发挥了3D打印的优势，实现难熔金属复杂结构的快速制备，可加快产品的开发与商业化时间。

早在2021年，升华三维就发表了《采用粉末挤出3D打印技术制备高性能96W-2.7Ni-1.3Fe合金零件》的科研成果，以解决难熔金属成型难的问题。该研究成果是升华三维、天津大学材料学院、中南大学粉末冶金研究院共同完成，相关成果发表在Materials Science & Engineering A 上。

其研究结果表明：

1. PEP技术是通过“3D打印”和“高温烧结”相结合的新技术，可以制备高比重钨合金。

2. 通过两步烧结法，可获得最佳烧结性能。96W-2.7Ni-1.3Fe的密度可达99.2%±0.2%，且拉伸强度为801MPa,延伸率为22.1%。

3. 热处理后，性能进一步提高拉伸强度为838MPa，延伸率达到了26.1%。

4. 成分精确可控，无论是在烧结过程还是热处理过程，都不会产生脆性相。

▲不同烧结条件下的硬度和相对密度

PEP技术在制备难熔金属方面的应用和研究已经取得一定成就，现已支持多种难熔金属材料的3D打印，不同材料可通过调节工艺参数而得到高致密的结构件。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，主要采用蜡基粘结剂体系为难熔金属3D打印材料开发提供支持。

以UPGM-93WNiFe打印材料为例，采用了粒径为2-3μm的钨粉，喂料粒径在2-4mm之间，粉体装置量为47vol.%，钨合金打印材料具有高密度、高质量、低成本等优势，可用于高比重钨合金复杂结构件的开发制造。

▲升华三维UPGM-93WNiFe打印材料

独立双喷嘴3D打印设备优势：

• 独立双喷嘴设计，可同时或轮流打印不同材料；
• 颗粒挤出打印方式，可制备中空结构产品，无需清粉；
• 可基于MIM工艺的材料进行二次开发适配，且材料可重复使用；
• 采用自动进料功能，可实现无人看守长时间打印；
• 自动刷嘴功能，保证打印外观及质量；
• 无需气氛，办公环境即可使用；
  

• 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。

▲升华三维打印钨合金样品（生坯）

打印完成的生坯需要经过脱脂和烧结才能获得性能。基于PEP技术路线，升华三维已摸索出适合钨合金等难熔金属的烧结工艺，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激光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。

▲升华三维打印钨合金样品（烧结）

以下为UPGM-93WNiFe材料的烧结性能说明，通过PEP打印-脱脂-烧结制备的钨合金相对密度可达99.6%。烧结后的钨合金构件，能达到或超过传统工艺制备性能指标。

▲UPGM-93WNiFe钨合金烧结件性能参数