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探索純鎢3D列印增材製造之究竟

增材製造是一種新型加工技術，俗稱為3D列印，區別于傳統的“去除型”製造，不需要原胚和模具，直接根據零件的電腦三維模型資料，通過逐層增加材料的方法形成任何複雜形狀的物體。

目前，國內外對於鈦合金、不銹鋼、鎳基合金等材料的增材製造研究較多。但是對於難熔金屬和合金，例如鎢、鉬、鉭、釩等，受到其熔點、密度、熱導、熔體張力和粘度等固有物理性能影響而技術難有突破，這主要存在熔滴不穩定、球化現象顯著、緻密度不高等缺點。

鎢合金增材製造已有不少解決方案，其工藝和方法主要是W-Fe，W-Ni，W-Cu等，Fe、Ni或者Cu 作為粘接材料在熱源作用下熔化，而將未熔化的鎢顆粒包裹其中並相互粘接，是典型的液相燒結過程，這可以降低鎢合金成型難度。但純鎢增材就沒那麼容易了，與鎢合金相比，純鎢成型必須基於完全熔化/凝固過程，由於鎢的熔點和熱導都比較高，在熱源作用下熔滴的鋪展/凝固行為較為複雜，很難實現完全緻密，因此純鎢的增材成型工藝和方法一直未獲得突破。

隨著歐美等國家將金屬3D列印的產品不斷應用於航太、軍工、太空等決定人類未來的領域，我國也正在努力縮短與歐美國家的差距。選擇性鐳射熔化（SLM）是當前應用於難熔金屬的一種較主流的3D增材列印方案，其於這種方案，採用特殊的預處理方法和過程工藝措施保證純鎢金屬的緻密成型，其新穎性是系列工藝措施保證下，減少純鎢增材成形缺陷，提高緻密度。增材製造的過程主要有：

1)篩選和配比鎢粉體顆粒

取表面無雜質和氧吸附的球形純鎢粉體顆粒，篩選出鎢粉體大顆粒和鎢粉體小顆粒，鎢粉體大顆粒的中值粒徑為18.3μm，鎢粉體小顆粒的中值粒徑為2.1μm，鎢粉體小顆粒與鎢粉體大顆粒的細微性比為0.11，

將鎢粉體小顆粒與鎢粉體大顆粒混合，得到混合粉體，鎢粉體大顆粒的品質占混合粉體質量的70％，鎢粉體小顆粒的品質占混合粉體質量的30％，混合粉體的松裝堆積密度為53％。

向混合粉體中加入稀土鑭和炭黑，加入La的品質為混合粉體質量的0.3％， 加入碳黑的品質為混合粉體質量的0.3％，

2)鐳射成型與重熔

A、採用德國增材製造設備，在工作平臺上安裝多層複合鐵-隔熱材料-鎢基板，預熱至300℃並在鐳射成型與重熔過程中保持此溫度,鋪粉刮刀與多層複合鐵-隔熱材料-鎢基板的間隙為30μm；在氬氣保護的手套箱中，將1)製備的混合粉體填裝到粉體料倉中。

B、密封成形腔體，抽真空至相對真空度為-90KPa，向成形腔體內輸入保護性氣體氬氣；反復抽真空與輸入保護性氣體氬氣，使成形腔體內氧含量降至300ppm以下。

C、用鐳射對多層複合鐵-隔熱材料-鎢基板“犧牲區域4”進行掃描，消耗成型腔體內殘留氧，直至氧含量降至50ppm以下；

D、鋪粉機構將粉體料倉中的混合粉體送入多層複合鐵-隔熱材料-鎢基板上,並由鋪粉刮刀鋪平，得厚度30μm的混合粉體薄層；

E、開始成型，通過高能雷射光束熔化成型切片區域1的混合粉體，在30min內，成型腔體內氧含量降至＜1ppm，並在鐳射成型與重熔過程中成型腔體內氧含量始終＜1ppm；鐳射功率大於400W，點距50μm，曝光時間250μs，掃描間距100μm。

F、不鋪混合粉體，鐳射重新掃描重熔。鐳射重熔的掃描方向與成型的掃描方向夾角為90°；參數與E相同。

G、重熔完成後，工作平臺下降一個切片厚度30μm；

H、重複步驟E-G，直至整個零件成形完畢，得到純鎢小塊，鎢成型密度達18g/cm3以上，相對緻密度93％以上。

經過上述流程，純鎢金屬的增材製造也就完成，通過採用球形鎢粉體配比優化和成型工藝措施保證，解決純鎢金屬增材製造中存在的熔滴狀態不穩定、球化、缺陷孔洞較多等問題，提高成型緻密度和部件性能，達到了成品要求的高緻密度。

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