高比重鎢合金的增材制造工藝主要包含粉末擠出打印、選區(qū)激光熔化和粘結(jié)劑噴射三種工藝路線。這些技術(shù)通過(guò)逐層精密堆積，共同實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、內(nèi)部隨形流道及功能梯度材料的一體化近凈成形，在設(shè)計(jì)中享有很高的自由度。增材制造工藝能顯著縮短研發(fā)周期，提高材料利用率，優(yōu)化后的零件致密度高，力學(xué)與抗輻射性能優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域的高性能部件制造。
一、高比重鎢合金增材制造的主要工藝類型
1.粉末擠出打印技術(shù)（Powder Extrusion Printing，簡(jiǎn)稱PEP）
粉末擠出打印技術(shù)是制造高比重鎢合金零件時(shí)常用的一種增材制造工藝。首先，需要將合金粉末與蠟-聚合物類粘結(jié)劑充分混合，制成可擠出的顆粒狀喂料，隨后，在溫度略高于粘結(jié)劑熔點(diǎn)的條件下，通過(guò)螺桿擠出機(jī)將喂料逐層堆積，直接獲得具有預(yù)期形狀的生坯零件。
(1)粉末擠出打印技術(shù)的工藝特點(diǎn)
粉末擠出打印有一個(gè)核心的工藝特點(diǎn)，就是成形與致密化是分開進(jìn)行的。因?yàn)樯髟谳^低溫度下就能成形，這能很好地避免熱裂紋和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，所以，它特別適合用來(lái)制造那些帶有內(nèi)部空腔、薄壁或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜多孔的零件。此外，這項(xiàng)工藝的材料利用率很高，能達(dá)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(guò)前期設(shè)計(jì)補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的尺寸控制。
(2)粉末擠出打印技術(shù)的典型應(yīng)用
基于這些優(yōu)勢(shì)，粉末擠出打印技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。在航空航天方面，它被用來(lái)制造航天發(fā)動(dòng)機(jī)中帶復(fù)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，粉末擠出打印技術(shù)可用于生產(chǎn)核裝置的關(guān)鍵部件以及放療設(shè)備里非常精密的準(zhǔn)直器。在軍工上，它適合成形具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穿甲彈芯。在普通工業(yè)中，也能用來(lái)制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)激光熔化
選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，簡(jiǎn)稱SLM），也叫激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，簡(jiǎn)稱LPBF），是一種利用激光逐層熔化金屬粉末來(lái)制造零件的技術(shù)。它一般使用1064nm波長(zhǎng)的光纖激光器，對(duì)預(yù)先鋪展好的每一層鎢合金粉末進(jìn)行選擇性掃描熔化，通過(guò)層層堆疊最終形成實(shí)體零件。選區(qū)激光熔化工藝對(duì)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、并且流動(dòng)性良好的預(yù)合金粉末來(lái)完成。
(1)選區(qū)激光熔化的工藝特點(diǎn)
選區(qū)激光熔化能直接制造出相對(duì)密度超過(guò)98.5%的近乎全致密的金屬零件。不過(guò)，由于材料熔點(diǎn)高、冷卻速度快，過(guò)程中容易出現(xiàn)熱裂紋和內(nèi)部孔洞這類問(wèn)題。因此在實(shí)際加工時(shí)，需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，比如激光功率通常要在400W以上、掃描速度控制在0.2~0.8m/s之間，還會(huì)采用像島狀掃描這類特定的掃描策略，同時(shí)把基板預(yù)熱到200~400℃。近年來(lái)，還出現(xiàn)了一些像雙激光重熔這樣的新方法，它通過(guò)第二道激光對(duì)已熔區(qū)域再次掃描，從而細(xì)化材料組織、減少內(nèi)部缺陷，如果再搭配熱等靜壓這類后處理工序，零件的整體性能還能得到進(jìn)一步改善。
(2)選區(qū)激光熔化的典型應(yīng)用
憑借其高精度和直接制造內(nèi)部復(fù)雜特征的能力，選區(qū)激光熔化技術(shù)在多個(gè)高端領(lǐng)域不可或缺。在醫(yī)療放療設(shè)備中，它被用于制造尺寸精確、耐磨性高的微型多葉準(zhǔn)直器葉片，有助于實(shí)現(xiàn)更精確的輻射控制。在航空航天領(lǐng)域中，選區(qū)激光熔化用于生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上承受極端高溫的復(fù)雜部件，例如渦輪泵和噴注器。在國(guó)防軍工領(lǐng)域中，它能一體成型內(nèi)部帶有復(fù)雜隨形通道的穿甲彈芯，在保證高密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能。此外，在科研與工業(yè)方面，選區(qū)激光熔化技術(shù)也用于制造高能物理探測(cè)器的精密準(zhǔn)直組件，以及耐高溫的微型化工反應(yīng)器等等。
3.粘結(jié)劑噴射技術(shù)(Binder Jetting，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)粉末顆粒的局部粘結(jié)，通過(guò)這種逐層疊加的方式，最終形成零件的生坯。成型后的生坯初始強(qiáng)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(jìn)行支撐固定，確保在搬運(yùn)及后續(xù)處理過(guò)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(diǎn)
粘結(jié)劑噴射技術(shù)有一個(gè)突出的工藝特點(diǎn)，就是它在打印過(guò)程中通常不需要專門設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，零件在成形時(shí)，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)特別適合用于小批量或批量化的零件生產(chǎn)。同時(shí)，粘結(jié)劑噴射技術(shù)的打印速度相對(duì)較快，一次可以同時(shí)安排多個(gè)零件進(jìn)行打印，有效提升了設(shè)備的整體利用率。在后處理階段，燒結(jié)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。這一過(guò)程通常在氫氣等保護(hù)氣氛下進(jìn)行，并通過(guò)分階段精確控制溫度，以確保材料能達(dá)到充分的致密化。此外，最終零件的尺寸精度是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，它會(huì)受到粉末顆粒大小、粘結(jié)劑在粉末中的擴(kuò)散情況，以及燒結(jié)過(guò)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(yīng)用
粘結(jié)劑噴射技術(shù)特別適合用于制造那些結(jié)構(gòu)較為精細(xì)、形狀復(fù)雜的中小型鎢合金部件。根據(jù)中鎢智造的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，粘結(jié)劑噴射技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域都有具體的應(yīng)用。
在醫(yī)療器械領(lǐng)域，主要用于批量生產(chǎn)個(gè)性化放射治療準(zhǔn)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(lái)制造應(yīng)用于化工催化場(chǎng)景的、具有復(fù)雜三維孔道結(jié)構(gòu)的多孔電極，以及要求耐腐蝕的過(guò)濾器和噴霧噴嘴。
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(jì)有特定破片槽或內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)的小口徑動(dòng)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，也適用于快速制造航空航天慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中那些帶有復(fù)雜內(nèi)部流道或?yàn)闇p重而設(shè)計(jì)的輕量化結(jié)構(gòu)配重元件。
二、高比重鎢合金增材制造工藝的優(yōu)勢(shì)
高比重鎢合金的增材制造工藝憑借其獨(dú)特的技術(shù)特性，在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了多方面的顯著優(yōu)勢(shì)。
1.高比重鎢合金的增材制造工藝大幅提升了設(shè)計(jì)自由度
增材制造工藝顯著提升了高比重鎢合金的設(shè)計(jì)自由度，相比傳統(tǒng)的鑄造或機(jī)械加工方法，增材制造提供了更高的靈活性，尤其擅長(zhǎng)將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)一次性整體制造出來(lái)。
輕質(zhì)點(diǎn)陣與多孔結(jié)構(gòu)
利用增材制造工藝，可以精確地構(gòu)筑具有周期性復(fù)雜構(gòu)型的點(diǎn)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(shí)，有效降低自重，并通常擁有更好的比強(qiáng)度與能量吸收特性。
內(nèi)部隨形流道
過(guò)去難以甚至無(wú)法加工的內(nèi)部復(fù)雜空腔與流道，現(xiàn)在可以直接成型。例如，可以一體打印出內(nèi)部帶有隨形冷卻流道的航空航天用鎢合金噴嘴，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(jiǎn)稱FGM）
增材制造工藝還能實(shí)現(xiàn)材料成分的連續(xù)漸變，例如制備鎢/銅功能梯度材料。這種材料從純鎢端過(guò)渡到純銅端，中間通過(guò)多孔鎢骨架滲銅形成成分梯度，能夠很好適應(yīng)同時(shí)要求耐高溫與高熱導(dǎo)率的復(fù)雜工況。
2.高比重鎢合金的增材制造工藝顯著縮短了研發(fā)與生產(chǎn)周期
高比重鎢合金的增材制造工藝，能夠顯著縮短產(chǎn)品從研發(fā)到生產(chǎn)的整體周期，它可以直接依據(jù)三維數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行制造，這極大地簡(jiǎn)化并加速了從設(shè)計(jì)圖到實(shí)體零件的轉(zhuǎn)化過(guò)程。
從CAD模型到實(shí)體零件的快速轉(zhuǎn)化
它實(shí)現(xiàn)了從三維數(shù)字模型到實(shí)體零件的快速轉(zhuǎn)換。以粉末擠出打印技術(shù)為例，這種結(jié)合了3D打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)周期，如45天，大幅縮短至約7個(gè)工作日，有效加速了產(chǎn)品的開發(fā)與上市進(jìn)程。
無(wú)模具快速成型
由于省去了傳統(tǒng)制造中不可或缺的模具開發(fā)環(huán)節(jié)，增材制造工藝特別適用于小批量、定制化的產(chǎn)品生產(chǎn)，以及設(shè)計(jì)原型的快速打樣與迭代驗(yàn)證。
3.高比重鎢合金的增材制造工藝實(shí)現(xiàn)了卓越的綜合性能
通過(guò)持續(xù)的工藝優(yōu)化，增材制造所獲得的高比重鎢合金部件，在關(guān)鍵性能指標(biāo)上已能媲美甚至超越傳統(tǒng)工藝制品。
高致密度與力學(xué)性能
經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝可以使材料的致密度達(dá)到98%以上，室溫抗拉強(qiáng)度不低于900MPa。例如，采用粉末擠出打印工藝結(jié)合液相燒結(jié)的93WNiFe合金，其綜合性能可以達(dá)到與傳統(tǒng)鍛造工藝相當(dāng)?shù)乃健?/p>
優(yōu)異的抗輻射性能
高比重鎢合金對(duì)X射線和γ射線的吸收能力比傳統(tǒng)防護(hù)材料鉛高出30%~40%，且無(wú)毒環(huán)保，是制造CT機(jī)準(zhǔn)直器、放射治療設(shè)備屏蔽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(diǎn)、良好的高溫穩(wěn)定性與導(dǎo)熱性。例如，通過(guò)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(dòng)機(jī)等極端環(huán)境的要求。而鎢/銅功能梯度材料更能有效應(yīng)對(duì)局部高熱負(fù)荷，在核聚變裝置等高技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。
