激光如何实现难熔金属材料成型?

来源:网络

发布时间:2019年8月12日下午 06:08:09

难熔金属材料具有高熔点及特有性能,在国民经济中占有重要地位,一直以来作为高新材料加以发展。这类材料由于熔点高、高温强度高,给冶炼加工也带来很大困难,因此大部分难熔合金都采用粉末冶金工艺制造。随着对难熔材料成形复杂结构及降低成本、提高效率的要求,传统的粉末冶金工艺也显示出了其不足:需要昂贵的工装模具、复杂工艺过程,而且难以成形出复杂的三维实体零件。在此情况下,采用增材制造实现难熔金属成型,便成为一种有效途径。
难熔金属材料具有高熔点及特有性能,在国民经济中占有重要地位,一直以来作为高新材料加以发展。这类材料由于熔点高、高温强度高,给冶炼加工也带来很大困难,因此大部分难熔合金都采用粉末冶金工艺制造。随着对难熔材料成形复杂结构及降低成本、提高效率的要求,传统的粉末冶金工艺也显示出了其不足:需要昂贵的工装模具、复杂工艺过程,而且难以成形出复杂的三维实体零件。在此情况下,采用增材制造实现难熔金属成型,便成为一种有效途径。
 
 
在现有常用的金属增材制造用材料中,熔点较高的应当是金属钛,其熔点达到1660℃,而难熔金属的熔点比之高出1000-2000度,即便采用激光成型,也存在一定困难,所以使用也比较少。随着激光成型设备的升级、制粉工艺的进步以及材料使用需求的不断提高,对难熔金属进行激光成型逐渐被开展,到目前为止,也已经取得了很大进步。
 
1. 钨及钨合金
 
钨的熔点高达3400°C,是熔点最高的金属材料,高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好,比重大,除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外,钨及其合金广泛用于电子、电光源工业,也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。
 
 
飞利浦企业打印的壁厚小于0.1mm的纯钨准直器,薄壁有助于最大限度减少X射线散射
 
钨材料的3D打印工艺以SLM为主流。2014年飞利浦利用EOS金属机开发出纯钨SLM工艺,并将其应用于X射线透视设备(如CT/PET/SPECT)上的高精度零部件制造。
 
华中科技大学2010年左右即已开展钨合金的SLM工艺研究,但受限于多种因素并未引起太多关注并得到应用。2016年在珠海航展期间,铂力特展出了钨合金打印的光栅器件,最小壁厚0.1mm,但对其是否实现应用,铂力特并未进行详细介绍 。
 
同年,华曙高科与某航空单位合作,制作了钨合金芯片散热器固定件,多孔变径结构一次成型且无需后期机加工,大孔尺寸为 1.5±0.02mm,小孔尺寸为0.5±0.02mm,工件致密度>96%。但华曙高科采用的钨粉并非球形粉末。
 
除此之外,GE采用电子束熔融技术开发了钨材料成型工艺,并将其应用于X射线和CT扫描仪上的过滤装置。钢铁研究总院采用EOS设备于近年开展了纯钨球形粉末的成型工艺研究。
 
3D打印对于钨这种难加工材料的精加工,是一种有效手段。
 
2. 铌基合金
 
铌合金具有良好的抗血液腐蚀的能力,可制作血管支架;同时由于其比重小、强度高、韧性好、易焊接等优点,也是制造航空航天高温部件的重要材料。纯铌的熔点为2470℃,但针对纯铌的3D打印工艺开发笔者未能找到相关报道。
 
 
2014年美国空间零部件供应商Metal Technology(MTI)宣布成功开发一种名为C-103的铌基合金3D打印工艺,采用的设备为3D Systems的ProX 300打印机。该材料熔点为2350℃,具有极好的耐热性,质量轻、可靠性好,而且具有经受强烈振动和低温的能力,被广泛用于航空航天。
 
C-103铌基合金SLM成型实验
 
C-103铌基合金最开始在NASA阿波罗指挥模块中使用,MTI针对此材料开发3D打印工艺,为其获得洛克希德马丁、穆格、NASA等客户的空间部件订单打开了大门。
 
3.
 
多孔钽也被称为小梁金属,在医疗领域已安全己使用多年,它不与起搏器电极箔发生相互作用,不透过X射线,可用于颅骨修补。近年来, 钽棒已被用作全髓关节和膝关节植入物、脊椎关节植入物和骨坏死的早期治疗。
 
钽金属属于难熔金属,熔点高达2996 ℃,其3D打印工艺难度大,对粉体性能、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度等要求很高。
 
2016年,英国公司Metalysis开发出金属钽球形粉末,并开展了3D打印及医疗方面的研究,证明了钽粉在SLM制造医疗植入物中的有效性。
 
2017年,我国西南医院完成全球首例3D打印钽金属修复巨大骨缺损手术,产品由株洲普林特增材制造有限公司采用华曙高科设备打印。同年斯坦福材料公司开始研究钽粉在髋关节等生物医学中的应用。
 
2018年,西安赛隆金属成功利用自主研发的电子束金属3D打印机打印出钽金属。致密度高达99%,孔隙率> 70%,并获得科技部“个性化多孔钽植入假体粉床电子束增材制造关键技术和临床应用”重点研发计划的支持。
 
4. 钼
 
钼具有极好的物理、化学和机械性能,常被用作玻璃加工、航空航天和高性能电子部件材料。相比于其它难熔金属, 钼的密度要低得多,这表明钼的比强度较高,为要求减重应用的场合带来实效。
 
2017年,国内清华大学开展了纯钼选择性激光熔化中的致密化和裂纹抑制研究,致密度达到99%。
 
2018年,美国橡树岭国家实验室(ORNL)采用Renishaw激光熔化系统成功实现放射性同位素钼-99(Mo-99)成型,作为现代医学中最常用的放射成像同位素,3D打印Mo-99成为美国医疗保健材料商业化生产的重要一步,同时,这也是3D打印有史以来第一次放射性材料成型。
 
关于钼材料的3D打印商业应用,还鲜有报道。
 
总结
 
衡量一种金属材料能不能进行激光熔化成型,不能仅凭熔点高低,它还与材料成分、材料性质有重要关系。不必迷信“第一次”“首发”这样的字眼,能够打印和能够做好、能够应用有很大区别。文中提到的对一些材料进行研究的机构,也只是一部分而已。敢于尝试,就能获得一些经验。

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