3D打印材料獲突破，升華三維開拓硬質合金增材制造新工藝

來源： 升華三維

硬質合金是一種復合材料，通常包括難熔金屬碳化物（鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等的碳化物）和粘結金屬（鎳、鉬、鎢、鈷等）。硬質合金具備優(yōu)良的力學性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及熱穩(wěn)定性�？捎糜谥圃烨邢鞯毒�、鑿巖工具、采礦工具、鉆孔工具、量具、易損件、金屬磨削工具、氣缸套、精密軸承、噴嘴等，被譽為“工業(yè)的牙齒”。

硬質合金的傳統(tǒng)制備方法及難點
硬質合金通常采用注射成型、擠壓成型、模壓成型、熱壓、熱等靜壓、火花等離子燒結等方式制備，特別是擠壓成型有著廣泛的應用前景。不過傳統(tǒng)工藝制備硬質合金完全依賴模具，且模具成本高、周期長、后續(xù)加工成本高，對硬質合金制造成本造成很大影響；另外，如復雜形狀、多功能/變化功能復合結構、梯度結構等硬質合金也無法采用常規(guī)方法制備，嚴重限制了硬質合金制品的結構設計空間、材料優(yōu)勢發(fā)揮和應用領域的拓展。

▲傳統(tǒng)硬質合金結構件（來源網絡）

硬質合金因具有高熔點和高硬度特性，從而導致它加工非常困難，常用的粉末冶金等方式只能制造一些形狀結構較簡單的零部件。隨著先進制造的快速發(fā)展，傳統(tǒng)結構件制造工藝已難以滿足實際應用需求，開發(fā)更靈活的復雜結構制造方法顯得尤為重要。3D打印技術的出現為制造形狀復雜的結構件提供了新方法，特別是用于異形、結構一體化、微通道、十分復雜的形狀、點陣結構等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術不具備的優(yōu)勢。

3D打印制備硬質合金方法及特點
3D打印技術可輕易實現復雜幾何形狀構件的生產制備，有望在硬質合金的生產應用上降低生產成本。目前，硬質合金3D打印工藝制造可歸納為兩類技術路線，一種為基于熱成形技術的PBF技術路線：PBF技術采用高能激光或電子束為熱源，選擇性地燒結或熔化粉末，逐層成形得到三維實體零件，主要包括選區(qū)激光燒結(SLS)、選區(qū)激光熔化(SLM)、選區(qū)電子束熔化(SEBM)等工藝。另一種為基于硬質合金生坯冷打印、脫脂和燒結工藝的FDS技術路線：該類技術充分發(fā)揮了3D打�。ɡ浼庸ぃ┖头勰┮苯鹈撝瑹�結工藝（熱加工）的優(yōu)勢，采用冷打印成形生坯，再進行生坯脫脂、燒結，制備三維實體零件。其中，生坯冷打印工藝研究已發(fā)展出粘合劑噴射成形(BJAM)、熔融沉積成型(FDM)和3D凝膠打印成形(3DGP)等3種工藝。https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103410

▲3D打印質硬合金樣品（來：升華三維）

PBF技術路線能夠成功制備接近理論密度、力學性能良好的硬質合金構件，但也存在許多的問題：如SLS往往需要后續(xù)處理，如元素熔滲提高綜合性能、SLM易產生裂紋孔洞缺陷；熱成型技術的重復加熱冷卻過程會形成獨有的微觀組織，影響零件性能，需要通過熱等靜壓和熱處理等后處理手段達到性能，卻會帶來額外的時間和成本，阻礙了3D打印硬質合金的發(fā)展進程。而基于燒結的技術線路制備硬質合金構件一般不存在明顯的裂紋和孔洞缺陷，組織整體分布均勻，力學性能優(yōu)良，不過表面粗糙度有待加強。

基于燒結的PEP工藝制備硬質合金
3D打印為開拓硬質合金應用提供了新的制造路徑。粉末擠出打印技術（PEP）是由升華三維推出的一種基于燒結工藝的金屬/陶瓷間接3D打印技術。PEP是在FDM技術基礎上，再結合粉末冶金工藝形成的金屬/陶瓷3D打印方法。采用金屬/陶瓷粉體適配粘結劑通過3D打印專用密煉機混煉成顆粒材料、然后通過3D打印設備制備出具有一定密度和強度的生坯，再經過3D打印專用脫脂燒結爐進行后處理工藝，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結構件。為硬質合金高性能復雜結構制造提供有效解決方案。

▲粉末擠出打印技術（PEP）工藝流程圖

升華三維開發(fā)出了適配PEP工藝3D打印設備的硬質合金材料。是一種呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒金屬-陶瓷復合材料，具有高硬度、高強度、高耐磨性、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異性能�？蓱�用軍工、航空航天、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、核工業(yè)等領域。

▲硬質合金打印材料

PEP工藝為硬質合金廣泛應用打開新窗口

利用PEP技術的熱融擠出系統(tǒng)打印設備實現對材料的一體化無模成型，有效縮短了制備周期。PEP工藝不僅不需要昂貴的高能量激光設備；采用打印與脫脂燒結分開的工藝模式，還可以利用傳統(tǒng)脫脂燒結設備，可極大地減少投入成本；而其低溫成型、高溫成性的特性，很好地解決硬質合金3D打印制備過程中極易出現的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產品性能一致性；另外基于PEP的3D打印系統(tǒng)采用獨立雙噴嘴設計，可實現多功能復合材料結構和梯度材料結構產品的開發(fā)制造。通過PEP工藝制備的硬質合金構件其致密度、均勻性、力學性能均能達到甚至超過傳統(tǒng)粉末冶金工藝，有望為硬質合金廣泛應用打開新窗口。

▲3D打印質硬合金燒結性能（來：升華三維）

升華三維一直致力于金屬/陶瓷間接3D打印技術的推廣與應用，在不斷研發(fā)適用于工業(yè)發(fā)展的3D打印技術及設備同時，在3D打印材料開發(fā)上也從未停止探索的腳步。目前已相繼開發(fā)出了適配PEP工藝的不銹鋼、銅及銅合金、鎢及鎢合金、高溫合金、硬質合金、難熔金屬等金屬材料，氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、生物陶瓷等陶瓷材料。未來，升華三維將繼續(xù)借助PEP技術，結合粉末冶金工藝實現更多應用材料的開發(fā)和制造，解鎖3D打印在更多領域的應用創(chuàng)新，展現出3D打印的生機與活力，推動我國工業(yè)制造高質量發(fā)展。