高比重鎢合金的增材製造工藝主要包含粉末擠出列印、選區(qū)鐳射熔化和粘結(jié)劑噴射三種工藝路線。這些技術(shù)通過逐層精密堆積，共同實現(xiàn)了複雜點陣結(jié)構(gòu)、內(nèi)部隨形流道及功能梯度材料的一體化近淨成形，在設(shè)計中享有很高的自由度。增材製造工藝能顯著縮短研發(fā)週期，提高材料利用率，優(yōu)化後的零件緻密度高，力學與抗輻射性能優(yōu)異，已廣泛應用於航空航太、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域的高性能部件製造。
一、高比重鎢合金增材製造的主要工藝類型
1.粉末擠出列印技術(shù)（Powder Extrusion Printing，簡稱PEP）
粉末擠出列印技術(shù)是製造高比重鎢合金零件時常用的一種增材製造工藝。首先，需要將合金粉末與蠟-聚合物類粘結(jié)劑充分混合，製成可擠出的顆粒狀餵料，隨後，在溫度略高於粘結(jié)劑熔點的條件下，通過螺桿擠出機將餵料逐層堆積，直接獲得具有預期形狀的生坯零件。
(1)粉末擠出列印技術(shù)的工藝特點
粉末擠出列印有一個核心的工藝特點，就是成形與緻密化是分開進行的。因為生坯在較低溫度下就能成形，這能很好地避免熱裂紋和殘餘應力的產(chǎn)生，所以，它特別適合用來製造那些帶有內(nèi)部空腔、薄壁或是結(jié)構(gòu)複雜多孔的零件。此外，這項工藝的材料利用率很高，能達到95%以上，且它的燒結(jié)收縮率也比較可控，通常穩(wěn)定在15%~18%之間，很容易通過前期設(shè)計補償來實現(xiàn)精準的尺寸控制。
(2)粉末擠出列印技術(shù)的典型應用
基於這些優(yōu)勢，粉末擠出列印技術(shù)已在多個領(lǐng)域得到應用。在航空航太方面，它被用來製造航太發(fā)動機中帶複雜內(nèi)部冷卻流道的噴注器和推力室。在核能與醫(yī)療領(lǐng)域，粉末擠出列印技術(shù)可用於生產(chǎn)核裝置的關(guān)鍵部件以及放療設(shè)備裡非常精密的準直器。在軍工上，它適合成形具有複雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穿甲彈芯。在普通工業(yè)中，也能用來製作帶有隨形冷卻水路的模具鑲件，提升生產(chǎn)效率。
2.選區(qū)鐳射熔化
選區(qū)鐳射熔化（Selective Laser Melting，簡稱SLM），也叫鐳射粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，簡稱LPBF），是一種利用鐳射逐層熔化金屬粉末來製造零件的技術(shù)。它一般使用1064nm波長的光纖雷射器，對預先鋪展好的每一層鎢合金粉末進行選擇性掃描熔化，通過層層堆疊最終形成實體零件。選區(qū)鐳射熔化工藝對粉末的要求比較高，通常需要使用球形度好、粒徑在15~45μm之間、並且流動性良好的預合金粉末來完成。
(1)選區(qū)鐳射熔化的工藝特點
選區(qū)鐳射熔化能直接製造出相對密度超過98.5%的近乎全緻密的金屬零件。不過，由於材料熔點高、冷卻速度快，過程中容易出現(xiàn)熱裂紋和內(nèi)部孔洞這類問題。因此在實際加工時，需要對工藝參數(shù)進行精細調(diào)整，比如鐳射功率通常要在400W以上、掃描速度控制在0.2~0.8m/s之間，還會採用像島狀掃描這類特定的掃描策略，同時把基板預熱到200~400℃。近年來，還出現(xiàn)了一些像雙鐳射重熔這樣的新方法，它通過第二道鐳射對已熔區(qū)域再次掃描，從而細化材料組織、減少內(nèi)部缺陷，如果再搭配熱等靜壓這類後處理工序，零件的整體性能還能得到進一步改善。
(2)選區(qū)鐳射熔化的典型應用
憑藉其高精度和直接製造內(nèi)部複雜特徵的能力，選區(qū)鐳射熔化技術(shù)在多個高端領(lǐng)域不可或缺。在醫(yī)療放療設(shè)備中，它被用於製造尺寸精確、耐磨性高的微型多葉準直器葉片，有助於實現(xiàn)更精確的輻射控制。在航空航太領(lǐng)域中，選區(qū)鐳射熔化用於生產(chǎn)火箭發(fā)動機上承受極端高溫的複雜部件，例如渦輪泵和噴注器。在國防軍工領(lǐng)域中，它能一體成型內(nèi)部帶有複雜隨形通道的穿甲彈芯，在保證高密度的同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能。此外，在科研與工業(yè)方面，選區(qū)鐳射熔化技術(shù)也用於製造高能物理探測器的精密準直元件，以及耐高溫的微型化工反應器等等。
3.粘結(jié)劑噴射技術(shù)(Binder Jetting，簡稱BJ)
粘結(jié)劑噴射技術(shù)的工作原理是依靠壓電噴頭將液態(tài)粘結(jié)劑選擇性地噴射到鋪設(shè)好的粉末層上，從而實現(xiàn)粉末顆粒的局部粘結(jié)，通過這種逐層疊加的方式，最終形成零件的生坯。成型後的生坯初始強度較低，其狀態(tài)類似于濕沙，因此通常需要將其埋置在粉末床中或使用專用夾具進行支撐固定，確保在搬運及後續(xù)處理過程中保持形狀，避免變形。
(1)粘結(jié)劑噴射技術(shù)的工藝特點
粘結(jié)劑噴射技術(shù)有一個突出的工藝特點，就是它在列印過程中通常不需要專門設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，零件在成形時，可以直接由周圍未粘結(jié)的粉末床承托，這使得粘結(jié)劑噴射技術(shù)特別適合用於小批量或批量化的零件生產(chǎn)。同時，粘結(jié)劑噴射技術(shù)的列印速度相對較快，一次可以同時安排多個零件進行列印，有效提升了設(shè)備的整體利用率。在後處理階段，燒結(jié)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。這一過程通常在氫氣等保護氣氛下進行，並通過分階段精確控制溫度，以確保材料能達到充分的緻密化。此外，最終零件的尺寸精度是多個因素綜合作用的結(jié)果，它會受到粉末顆粒大小、粘結(jié)劑在粉末中的擴散情況，以及燒結(jié)過程中不可避免的整體收縮等多種因素影響。
(2)粘結(jié)劑噴射技術(shù)的典型應用
粘結(jié)劑噴射技術(shù)特別適合用於製造那些結(jié)構(gòu)較為精細、形狀複雜的中小型鎢合金部件。根據(jù)中鎢智造的經(jīng)驗總結(jié)，粘結(jié)劑噴射技術(shù)在多個領(lǐng)域都有具體的應用。
在醫(yī)療器械領(lǐng)域，主要用於批量生產(chǎn)個性化放射治療準直器內(nèi)部所需的多葉光柵葉片，以及各種手術(shù)器械中起到平衡作用的配重塊。
在工業(yè)領(lǐng)域，常被用來製造應用於化工催化場景的、具有複雜三維孔道結(jié)構(gòu)的多孔電極，以及要求耐腐蝕的篩檢程式和噴霧噴嘴。
軍工領(lǐng)域中，粘結(jié)劑噴射技術(shù)能夠高效生產(chǎn)設(shè)計有特定破片槽或內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)的小口徑動能穿甲彈彈芯，以及各類武器的配重體。
在通用工業(yè)零件方面，也適用於快速製造航空航太慣性導航系統(tǒng)中那些帶有複雜內(nèi)部流道或為減重而設(shè)計的輕量化結(jié)構(gòu)配重元件。
二、高比重鎢合金增材製造工藝的優(yōu)勢
高比重鎢合金的增材製造工藝憑藉其獨特的技術(shù)特性，在實際應用中展現(xiàn)出了多方面的顯著優(yōu)勢。
1.高比重鎢合金的增材製造工藝大幅提升了設(shè)計自由度
增材製造工藝顯著提升了高比重鎢合金的設(shè)計自由度，相比傳統(tǒng)的鑄造或機械加工方法，增材製造提供了更高的靈活性，尤其擅長將複雜的結(jié)構(gòu)一次性整體製造出來。
輕質(zhì)點陣與多孔結(jié)構(gòu)
利用增材製造工藝，可以精確地構(gòu)築具有週期性複雜構(gòu)型的點陣或多孔金屬結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)能在確保零件功能的同時，有效降低自重，並通常擁有更好的比強度與能量吸收特性。
內(nèi)部隨形流道
過去難以甚至無法加工的內(nèi)部複雜空腔與流道，現(xiàn)在可以直接成型。例如，可以一體列印出內(nèi)部帶有隨形冷卻流道的航空航太用鎢合金噴嘴，這種流道能緊密貼合部件形狀，從而優(yōu)化散熱路徑，顯著提升冷卻效率。
功能梯度材料（Functionally Graded Materials，簡稱FGM）
增材製造工藝還能實現(xiàn)材料成分的連續(xù)漸變，例如製備鎢/銅功能梯度材料。這種材料從純鎢端過渡到純銅端，中間通過多孔鎢骨架滲銅形成成分梯度，能夠很好適應同時要求耐高溫與高熱導率的複雜工況。
2.高比重鎢合金的增材製造工藝顯著縮短了研發(fā)與生產(chǎn)週期
高比重鎢合金的增材製造工藝，能夠顯著縮短產(chǎn)品從研發(fā)到生產(chǎn)的整體週期，它可以直接依據(jù)三維數(shù)位模型驅(qū)動設(shè)備進行製造，這極大地簡化並加速了從設(shè)計圖到實體零件的轉(zhuǎn)化過程。
從CAD模型到實體零件的快速轉(zhuǎn)化
它實現(xiàn)了從三維數(shù)位模型到實體零件的快速轉(zhuǎn)換。以粉末擠出列印技術(shù)為例，這種結(jié)合了3D列印與粉末冶金的工藝，可將小批量難熔金屬產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)週期，如45天，大幅縮短至約7個工作日，有效加速了產(chǎn)品的開發(fā)與上市進程。
無模具快速成型
由於省去了傳統(tǒng)製造中不可或缺的模具開發(fā)環(huán)節(jié)，增材製造工藝特別適用於小批量、定制化的產(chǎn)品生產(chǎn)，以及設(shè)計原型的快速打樣與反覆運算驗證。
3.高比重鎢合金的增材製造工藝實現(xiàn)了卓越的綜合性能
通過持續(xù)的工藝優(yōu)化，增材製造所獲得的高比重鎢合金部件，在關(guān)鍵性能指標上已能媲美甚至超越傳統(tǒng)工藝製品。
高緻密度與力學性能
經(jīng)過優(yōu)化的工藝可以使材料的緻密度達到98%以上，室溫抗拉強度不低於900MPa。例如，採用粉末擠出列印工藝結(jié)合液相燒結(jié)的93WNiFe合金，其綜合性能可以達到與傳統(tǒng)鍛造工藝相當?shù)乃疁省?/p>
優(yōu)異的抗輻射性能
高比重鎢合金對X射線和γ射線的吸收能力比傳統(tǒng)防護材料鉛高出30%~40%，且無毒環(huán)保，是製造CT機準直器、放射治療設(shè)備遮罩件等部件的理想材料。
出色的耐高溫與熱管理能力
高比重鎢合金本身具有高熔點、良好的高溫穩(wěn)定性與導熱性。例如，通過PEP技術(shù)成型的鎢合金部件可在1000℃高溫下保持良好的抗蠕變性能，滿足航空發(fā)動機等極端環(huán)境的要求。而鎢/銅功能梯度材料更能有效應對局部高熱負荷，在核聚變裝置等高技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出應用潛力。
