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。

3D打印增材图片

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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