難熔金屬材料具有高熔點及特有性能,在國民經(jīng)濟中占有重要地位,一直以來作為高新材料加以發(fā)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(fù)雜結(jié)構(gòu)及降低成本、提高效率的要求,傳統(tǒng)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(fù)雜工藝過程,而且難以成形出復(fù)雜的三維實體零件。在此情況下,采用增材制造實現(xiàn)難熔金屬成型,便成為一種有效途徑。
在現(xiàn)有常用的金屬增材制造用材料中,熔點較高的應(yīng)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(shè)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(jīng)取得了很大進步。
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(dǎo)熱、導(dǎo)電和電子發(fā)射性能都好,比重大,除大量用于制造硬質(zhì)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(yè),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(fā)熱體和隔熱屏等。
飛利浦企業(yè)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(fā)出純鎢SLM工藝,并將其應(yīng)用于X射線透視設(shè)備(如CT/PET/SPECT)上的高精度零部件制造。
華中科技大學(xué)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(guān)注并得到應(yīng)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(xiàn)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)開發(fā)了鎢材料成型工藝,并將其應(yīng)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(shè)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。
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(yōu)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(fā)筆者未能找到相關(guān)報道。
鈮
2014年美國空間零部件供應(yīng)商metal Technology(MTI)宣布成功開發(fā)一種名為C-103的鈮基合金3D打印工藝,采用的設(shè)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(zhì)量輕、可靠性好,而且具有經(jīng)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(fā)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。
鉭
多孔鉭也被稱為小梁金屬,在醫(yī)療領(lǐng)域已安全己使用多年,它不與起搏器電極箔發(fā)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物、脊椎關(guān)節(jié)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(shù)、設(shè)備穩(wěn)定性、鋪粉質(zhì)量、打印精度等要求很高。
2016年,英國公司metalysis開發(fā)出金屬鉭球形粉末,并開展了3D打印及醫(yī)療方面的研究,證明了鉭粉在SLM制造醫(yī)療植入物中的有效性。
2017年,我國西南醫(yī)院完成全球首例3D打印鉭金屬修復(fù)巨大骨缺損手術(shù),產(chǎn)品由株洲普林特增材制造有限公司采用華曙高科設(shè)備打印。同年斯坦福材料公司開始研究鉭粉在髖關(guān)節(jié)等生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。
2018年,西安賽隆金屬成功利用自主研發(fā)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(guān)鍵技術(shù)和臨床應(yīng)用”重點研發(fā)計劃的支持。
鉬
鉬具有極好的物理、化學(xué)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(yīng)用的場合帶來實效。
2017年,國內(nèi)清華大學(xué)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(tǒng)成功實現(xiàn)放射性同位素鉬-99(Mo-99)成型,作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中最常用的放射成像同位素,3D打印Mo-99成為美國醫(yī)療保健材料商業(yè)化生產(chǎn)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(guān)于鉬材料的3D打印商業(yè)應(yīng)用,還鮮有報道。
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(zhì)有重要關(guān)系。不必迷信“第一次”“首發(fā)”這樣的字眼,能夠打印和能夠做好、能夠應(yīng)用有很大區(qū)別。文中提到的對一些材料進行研究的機構(gòu),也只是一部分而已。敢于嘗試,就能獲得一些經(jīng)驗。