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探索纯钨3D打印增材制造之究竟

增材制造是一种新型加工技术，俗称为3D打印，区别于传统的“去除型”制造，不需要原胚和模具，直接根据零件的计算机三维模型数据，通过逐层增加材料的方法形成任何复杂形状的物体。

目前，国内外对于钛合金、不锈钢、镍基合金等材料的增材制造研究较多。但是对于难熔金属和合金，例如钨、钼、钽、钒等，受到其熔点、密度、热导、熔体张力和粘度等固有物理性能影响而技术难有突破，这主要存在熔滴不稳定、球化现象显著、致密度不高等缺点。

钨合金增材制造已有不少解决方案，其工艺和方法主要是W-Fe，W-Ni，W-Cu等，Fe、Ni或者Cu 作为粘接材料在热源作用下熔化，而将未熔化的钨颗粒包裹其中并相互粘接，是典型的液相烧结过程，这可以降低钨合金成型难度。但纯钨增材就没那么容易了，与钨合金相比，纯钨成型必须基于完全熔化/凝固过程，由于钨的熔点和热导都比较高，在热源作用下熔滴的铺展/凝固行为较为复杂，很难实现完全致密，因此纯钨的增材成型工艺和方法一直未获得突破。

随着欧美等国家将金属3D打印的产品不断应用于航天、军工、太空等决定人类未来的领域，我国也正在努力缩短与欧美国家的差距。选择性激光熔化（SLM）是当前应用于难熔金属的一种较主流的3D增材打印方案，其于这种方案，采用特殊的预处理方法和过程工艺措施保证纯钨金属的致密成型，其新颖性是系列工艺措施保证下，减少纯钨增材成形缺陷，提高致密度。增材制造的过程主要有：

1)筛选和配比钨粉体颗粒

取表面无杂质和氧吸附的球形纯钨粉体颗粒，筛选出钨粉体大颗粒和钨粉体小颗粒，钨粉体大颗粒的中值粒径为18.3μm，钨粉体小颗粒的中值粒径为2.1μm，钨粉体小颗粒与钨粉体大颗粒的粒度比为0.11，

将钨粉体小颗粒与钨粉体大颗粒混合，得到混合粉体，钨粉体大颗粒的质量占混合粉体质量的70％，钨粉体小颗粒的质量占混合粉体质量的30％，混合粉体的松装堆积密度为53％。

向混合粉体中加入稀土镧和炭黑，加入La的质量为混合粉体质量的0.3％， 加入碳黑的质量为混合粉体质量的0.3％，

2)激光成型与重熔

A、采用德国增材制造设备，在工作平台上安装多层复合铁-隔热材料-钨基板，预热至300℃并在激光成型与重熔过程中保持此温度,铺粉刮刀与多层复合铁-隔热材料-钨基板的间隙为30μm；在氩气保护的手套箱中，将1)制备的混合粉体填装到粉体料仓中。

B、密封成形腔体，抽真空至相对真空度为-90KPa，向成形腔体内输入保护性气体氩气；反复抽真空与输入保护性气体氩气，使成形腔体内氧含量降至300ppm以下。

C、用激光对多层复合铁-隔热材料-钨基板“牺牲区域4”进行扫描，消耗成型腔体内残留氧，直至氧含量降至50ppm以下；

D、铺粉机构将粉体料仓中的混合粉体送入多层复合铁-隔热材料-钨基板上,并由铺粉刮刀铺平，得厚度30μm的混合粉体薄层；

E、开始成型，通过高能激光束熔化成型切片区域1的混合粉体，在30min内，成型腔体内氧含量降至＜1ppm，并在激光成型与重熔过程中成型腔体内氧含量始终＜1ppm；激光功率大于400W，点距50μm，曝光时间250μs，扫描间距100μm。

F、不铺混合粉体，激光重新扫描重熔。激光重熔的扫描方向与成型的扫描方向夹角为90°；参数与E相同。

G、重熔完成后，工作平台下降一个切片厚度30μm；

H、重复步骤E-G，直至整个零件成形完毕，得到纯钨小块，钨成型密度达18g/cm3以上，相对致密度93％以上。

经过上述流程，纯钨金属的增材制造也就完成，通过采用球形钨粉体配比优化和成型工艺措施保证，解决纯钨金属增材制造中存在的熔滴状态不稳定、球化、缺陷孔洞较多等问题，提高成型致密度和部件性能，达到了成品要求的高致密度。

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