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激光如何實現難熔金屬材料成型?

http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年10月24日瀏覽:691

難熔金屬材料具有高熔點及特有性能,在國民經濟中占有重要地位,一直以來作為高新材料加以發展。這類材料由于熔點高、高溫強度高,給冶煉加工也帶來很大困難,因此大部分難熔合金都采用粉末冶金工藝制造。隨著對難熔材料成形復雜結構及降低成本、提高效率的要求,傳統的粉末冶金工藝也顯示出了其不足:需要昂貴的工裝模具、復雜工藝過程,而且難以成形出復雜的三維實體零件。在此情況下,采用增材制造實現難熔金屬成型,便成為一種有效途徑。

在現有常用的金屬增材制造用材料中,熔點較高的應當是金屬鈦,其熔點達到1660℃,而難熔金屬的熔點比之高出1000-2000度,即便采用激光成型,也存在一定困難,所以使用也比較少。隨著激光成型設備的升級、制粉工藝的進步以及材料使用需求的不斷提高,對難熔金屬進行激光成型逐漸被開展,到目前為止,也已經取得了很大進步。

1. 鎢及鎢合金

鎢的熔點高達3400°C,是熔點最高的金屬材料,高溫強度和抗蠕變性能以及導熱、導電和電子發射性能都好,比重大,除大量用于制造硬質合金和作合金添加劑外,鎢及其合金廣泛用于電子、電光源工業,也在航天、鑄造、武器等部門中用于制作火箭噴管、壓鑄模具、穿甲彈芯、觸點、發熱體和隔熱屏等。

飛利浦企業打印的壁厚小于0.1mm的純鎢準直器,薄壁有助于最大限度減少X射線散射

鎢材料的3D打印工藝以SLM為主流。2014年飛利浦利用EOS金屬機開發出純鎢SLM工藝,并將其應用于X射線透視設備(如CT/PET/SPECT)上的高精度零部件制造。

華中科技大學2010年左右即已開展鎢合金的SLM工藝研究,但受限于多種因素并未引起太多關注并得到應用。2016年在珠海航展期間,鉑力特展出了鎢合金打印的光柵器件,最小壁厚0.1mm,但對其是否實現應用,鉑力特并未進行詳細介紹 。

同年,華曙高科與某航空單位合作,制作了鎢合金芯片散熱器固定件,多孔變徑結構一次成型且無需后期機加工,大孔尺寸為 1.5±0.02mm,小孔尺寸為0.5±0.02mm,工件致密度>96%。但華曙高科采用的鎢粉并非球形粉末。

除此之外,GE采用電子束熔融技術開發了鎢材料成型工藝,并將其應用于X射線和CT掃描儀上的過濾裝置。鋼鐵研究總院采用EOS設備于近年開展了純鎢球形粉末的成型工藝研究。

3D打印對于鎢這種難加工材料的精加工,是一種有效手段。

2. 鈮基合金

鈮合金具有良好的抗血液腐蝕的能力,可制作血管支架;同時由于其比重小、強度高、韌性好、易焊接等優點,也是制造航空航天高溫部件的重要材料。純鈮的熔點為2470℃,但針對純鈮的3D打印工藝開發筆者未能找到相關報道。

2014年美國空間零部件供應商Metal Technology(MTI)宣布成功開發一種名為C-103的鈮基合金3D打印工藝,采用的設備為3D Systems的ProX 300打印機。該材料熔點為2350℃,具有極好的耐熱性,質量輕、可靠性好,而且具有經受強烈振動和低溫的能力,被廣泛用于航空航天。

C-103鈮基合金SLM成型實驗

C-103鈮基合金最開始在NASA阿波羅指揮模塊中使用,MTI針對此材料開發3D打印工藝,為其獲得洛克希德馬丁、穆格、NASA等客戶的空間部件訂單打開了大門。

3. 鉭

多孔鉭也被稱為小梁金屬,在醫療領域已安全己使用多年,它不與起搏器電極箔發生相互作用,不透過X射線,可用于顱骨修補。近年來, 鉭棒已被用作全髓關節和膝關節植入物、脊椎關節植入物和骨壞死的早期治療。

鉭金屬屬于難熔金屬,熔點高達2996 ℃,其3D打印工藝難度大,對粉體性能、激光熔化參數、設備穩定性、鋪粉質量、打印精度等要求很高。

2016年,英國公司Metalysis開發出金屬鉭球形粉末,并開展了3D打印及醫療方面的研究,證明了鉭粉在SLM制造醫療植入物中的有效性。

2017年,我國西南醫院完成全球首例3D打印鉭金屬修復巨大骨缺損手術,產品由株洲普林特增材制造有限公司采用華曙高科設備打印。同年斯坦福材料公司開始研究鉭粉在髖關節等生物醫學中的應用。

2018年,西安賽隆金屬成功利用自主研發的電子束金屬3D打印機打印出鉭金屬。致密度高達99%,孔隙率> 70%,并獲得科技部“個性化多孔鉭植入假體粉床電子束增材制造關鍵技術和臨床應用”重點研發計劃的支持。

4. 鉬

鉬具有極好的物理、化學和機械性能,常被用作玻璃加工、航空航天和高性能電子部件材料。相比于其它難熔金屬, 鉬的密度要低得多,這表明鉬的比強度較高,為要求減重應用的場合帶來實效。

2017年,國內清華大學開展了純鉬選擇性激光熔化中的致密化和裂紋抑制研究,致密度達到99%。

2018年,美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)采用Renishaw激光熔化系統成功實現放射性同位素鉬-99(Mo-99)成型,作為現代醫學中最常用的放射成像同位素,3D打印Mo-99成為美國醫療保健材料商業化生產的重要一步,同時,這也是3D打印有史以來第一次放射性材料成型。

關于鉬材料的3D打印商業應用,還鮮有報道。

總結

衡量一種金屬材料能不能進行激光熔化成型,不能僅憑熔點高低,它還與材料成分、材料性質有重要關系。不必迷信“第一次”“首發”這樣的字眼,能夠打印和能夠做好、能夠應用有很大區別。文中提到的對一些材料進行研究的機構,也只是一部分而已。敢于嘗試,就能獲得一些經驗。

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