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2024年，對(duì)于升華三維來(lái)說(shuō)是跌宕起伏的一年，但隨著PEP技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的深入發(fā)展，應(yīng)用潛力也得以發(fā)揮。在設(shè)備方面，基于PEP我們推出可實(shí)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)材料打印的3D打印設(shè)備，以滿足高?？蒲性核谔荻裙δ懿牧霞爱a(chǎn)品開(kāi)發(fā)上的需求；在金屬材料應(yīng)用方面，積極推動(dòng)增材與傳統(tǒng)制造的融合發(fā)展，在難熔金屬、硬質(zhì)合金及金屬?gòu)?fù)合材料等拓展了諸多應(yīng)用場(chǎng)景；針對(duì)難加工金屬材料，公司推出了難熔金屬3D打印服務(wù)方案，為超高溫金屬產(chǎn)品提供了一種更經(jīng)濟(jì)的增材制造方法。本文，將為大家分享升華三維這一年來(lái)在金屬材料3D打印的應(yīng)用進(jìn)展。

特種金屬材料的應(yīng)用研究

航天燃燒室隨形流道一體化組件制備

在空間動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域，難熔金屬因能夠在極端高溫環(huán)境下保持機(jī)械性能，可應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、燃燒室、噴嘴等。該應(yīng)用開(kāi)發(fā)產(chǎn)品為空間動(dòng)力系統(tǒng)的熱端部件，采用隨形流道一體化設(shè)計(jì)，用于客戶(hù)開(kāi)發(fā)難熔金屬航天燃燒室的認(rèn)證組件。

該案例客戶(hù)前期采用鎢合金喂料來(lái)認(rèn)證項(xiàng)目的應(yīng)用需求，目前已進(jìn)一步采用PEP制備鉬、鉭等高溫部件，從而探尋最佳解決方案。PEP采用低溫成型、高溫成性方式，可有效地解決其他3D打印難熔金屬過(guò)程中，極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問(wèn)題，且能確保產(chǎn)品性能的一致性。采用PEP工藝來(lái)制備難熔金屬熱端部件，具有廣泛應(yīng)用前景和極高商業(yè)價(jià)值。

▲鎢合金推進(jìn)器組件 ?升華三維核工業(yè)用難熔金屬多孔過(guò)濾組件

核工業(yè)領(lǐng)域需要使用鎢、鉬等難熔金屬制造部件以適應(yīng)其極端環(huán)境。升華三維PEP技術(shù)能夠使得難熔金屬多孔過(guò)濾組件實(shí)現(xiàn)快速一體化成形，大大優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和使用效率。PEP工藝在核工業(yè)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，能大幅降低核反應(yīng)裝置的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和制造成本。

該批制備的鎢合金過(guò)濾組件已完成交付，并獲得了客戶(hù)的認(rèn)可。后續(xù)將共同突破更多難熔金屬材料的制備，以加快新型組件的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。

▲新型核工業(yè)多孔過(guò)濾組件燒結(jié)樣品 ?升華三維難熔金屬推進(jìn)器組件近凈尺寸制備

鎢等難熔金屬，可以抵抗高溫壓力而保持其強(qiáng)度和形狀，是火箭、高超音速和噴氣推進(jìn)應(yīng)用的理想選擇。升華三維PEP技術(shù)能夠很好彌補(bǔ)其他工藝制造難熔金屬的不足，可解決難熔金屬快速開(kāi)發(fā)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造等難題。

客戶(hù)首次采用鎢合金來(lái)認(rèn)證該推進(jìn)器組件的需求，燒結(jié)件性能經(jīng)過(guò)測(cè)試可滿足應(yīng)用要求。目前已經(jīng)在如鈮等其他難熔金屬材料進(jìn)入結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行小批量制備。PEP為在極端溫度應(yīng)用的空間推進(jìn)器組件提供了理想的增材制造方案。

▲鎢合金推進(jìn)器組件 ?升華三維鎢合金工業(yè)組件一體化制備

鎢合金因其熔點(diǎn)高、硬度大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝很難加工，甚至無(wú)法制備出形狀復(fù)雜的鎢結(jié)構(gòu)件。而PEP工藝能通過(guò)3D打印方式來(lái)解決鎢合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形難問(wèn)題，再結(jié)合成熟的粉末冶金脫脂燒結(jié)工藝，來(lái)獲得最終致密和性能優(yōu)異的鎢合金產(chǎn)品。隨著PEP技術(shù)在鎢合金應(yīng)用領(lǐng)域的深入，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能力獲得了進(jìn)一步的提升?，F(xiàn)已為航空航天、國(guó)防工業(yè)、核工業(yè)及醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域提供解決方案。

該產(chǎn)品客戶(hù)通過(guò)PEP工藝實(shí)現(xiàn)該復(fù)雜組件的一體化生產(chǎn)，能顯著減少鎢合金產(chǎn)品的加工工序，且良品率高，節(jié)省了大量應(yīng)用開(kāi)發(fā)投入及生產(chǎn)成本。

▲鎢合金工業(yè)設(shè)備組件燒結(jié)件 ?升華三維

高強(qiáng)韌硬質(zhì)合金制備的研究

中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與湖南博云東方粉末冶金有限公司合作，利用升華三維擠出增材制造裝備UPS250，首次制得無(wú)孔隙、無(wú)裂紋，各向收縮均勻的高強(qiáng)韌兩相WC-9Co硬質(zhì)合金，首次制得無(wú)孔隙、無(wú)裂紋，各向收縮均勻的高強(qiáng)韌兩相WC-9Co硬質(zhì)合金，其相對(duì)密度約為99.7%，維氏硬度、橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到1525±3HV30、3492±45MPa和20.4±0.5 MPa·m1/2，綜合力學(xué)性能與粉末冶金工藝制備的高性能硬質(zhì)合金相當(dāng)。相關(guān)成果發(fā)表在在國(guó)際頂級(jí)期刊《Additive Manufacturing》，期刊IF=11。

采用WC-Co硬質(zhì)合金MEX-DS技術(shù)制備出近全致密兩相WC-9Co硬質(zhì)合金，其橫向斷裂強(qiáng)度達(dá)到了3492MPa，斷裂韌性達(dá)到了20MPa·m1/2以上，將目前AM制備的WC-Co硬質(zhì)合金橫向斷裂強(qiáng)度從1500-2000MPa、2000-3000 MPa（HIP處理）提高到了3000-4000MPa級(jí)，斷裂韌性提高到了20MPa·m1/2以上，綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于目前報(bào)道的同類(lèi)研究結(jié)果，與粉末冶金制備的同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)。研究結(jié)果對(duì)解決當(dāng)前硬質(zhì)合金增材制造出現(xiàn)的難以消除的孔隙、裂紋及有害相等難題，發(fā)展硬質(zhì)合金增材技術(shù)具有重要的意義。

????圖1  MEX WC-9Co硬質(zhì)合金生坯微觀結(jié)構(gòu)

金屬陶瓷復(fù)合材料制備的研究

中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周科朝教授團(tuán)隊(duì)以聚甲醛(POM)為主要粘合劑，開(kāi)發(fā)了一種基于螺桿擠出方式的顆粒狀原料。采用升華三維大尺寸獨(dú)立雙噴嘴打印機(jī)UPS-556，通過(guò)高流動(dòng)填充打印策略，顯著提升了3D構(gòu)件層間結(jié)合強(qiáng)度，材料的相對(duì)密度與力學(xué)性能與傳統(tǒng)注塑件接近，為高強(qiáng)度、致密金屬陶瓷材料的提供新的技術(shù)思路。他們最新的研究成果發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》上。

該團(tuán)隊(duì)采用固含量為56vol%的原料，且通過(guò)(45°，135°)高流量填充法制備出了高相對(duì)密度為96.7%的NiFe2O4-25（Cu-20Ni）金屬陶瓷，其平均彎曲強(qiáng)度為173.5 MPa，接近注塑樣品的178.4 MPa。且通過(guò)控制原料的打印參數(shù)和粘度，可以實(shí)現(xiàn)三維樣品的長(zhǎng)期高流量填充效果，可制備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能穩(wěn)定的大型PM制品。經(jīng)過(guò)研究表明，通過(guò)高流量填充方法可以使用材料擠壓工藝制造高質(zhì)量的金屬陶瓷復(fù)合材料，在復(fù)雜形狀的陽(yáng)極，切削工具和耐磨部件中具有潛在的應(yīng)用前景。

▲不同填充路徑打印方式 ?Additive Manufacturing

在特種材料應(yīng)用領(lǐng)域，升華三維著眼于難熔金屬及其合金材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用制造。在傳統(tǒng)粉末冶金基礎(chǔ)上，已全面攻克了難熔金屬產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造等難題。公司已推出了難熔金屬3D打印服務(wù)方案，為高性能難熔金屬結(jié)構(gòu)提供了一種更經(jīng)濟(jì)的增材制造方法，適用于生產(chǎn)復(fù)雜、高性能的難熔金屬結(jié)構(gòu)件。

▲PEP可打印的難熔金屬及其合金材料 ?升華三維

基于獨(dú)立雙噴嘴系統(tǒng)的金屬材料復(fù)合打印

PEP技術(shù)能實(shí)現(xiàn)不同金屬／陶瓷材料間的復(fù)合打印，這意味著應(yīng)用場(chǎng)景也得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展?；讵?dú)立雙噴嘴系統(tǒng)，升華三維目前已開(kāi)發(fā)有支撐打印、支撐連接打印、復(fù)合材料打印、不同部位指定材料打印、鏡像打印、復(fù)制打印等，為不同材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供支持。

▲獨(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)支持的打印模式 ?升華三維

雙層梯度硬質(zhì)合金制備雙材料復(fù)合打印彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單材料打印的缺陷，尤其在聚合物基梯度功能結(jié)構(gòu)制備中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2024年10月，中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與株洲金韋硬質(zhì)合金有限公司科研團(tuán)隊(duì)，在3D打印梯度硬質(zhì)合金在PDC襯底的應(yīng)用研究中，采用間接3D打印工藝制備無(wú)η相高韌性滲碳梯度硬質(zhì)合金(FGCCs)。本研究采用PEP工藝的獨(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)預(yù)置了僅外層貧碳的雙層硬質(zhì)合金生坯，通過(guò)預(yù)燒結(jié)滲碳制備了三組新型 FGCCs。為高性能PDC襯底雙材料增材制造提供了解決思路。該研究成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Ceramics International》上。

本研究實(shí)現(xiàn)了η相的可控分布，其結(jié)果可為制備無(wú)η相高韌性滲碳FGCCs 提供新的思路。此外，該研究為高性能PDC襯底的增材制造提供了參考方法。

▲雙層硬質(zhì)合金3D打印模型示意圖 ?Ceramics International

▲燒結(jié)與滲碳樣品宏觀形貌與金相圖 ?Ceramics International

93W和96W梯度功能材料制備一高校與升華三維的聯(lián)合項(xiàng)目中，采用雙噴嘴系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了難熔金屬93鎢合金和96鎢合金的雙材料打印，打出來(lái)的成品界面處無(wú)缺陷，γ相分布較為均勻。在航空航天、核能、太陽(yáng)能、生物工程植入等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

▲93W和96W梯度材料 ?升華三維

金屬雙材料填充打印在一與高?？蒲许?xiàng)目中，采用了兩種不同成分不銹鋼材料進(jìn)行復(fù)合打印，用于認(rèn)證《金屬雙材料復(fù)合結(jié)構(gòu)不同性能變化對(duì)功能件影響》研究的可行性。該案例利用了PEP工藝切片軟件的晶格填充功能自動(dòng)生成晶格骨架，再使用獨(dú)立雙噴嘴系統(tǒng)分別擠出骨架和晶格空隙填充材料，從而實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)的制備。因兩種材料成分接近，可使得兩者能在優(yōu)化后的同一套后處理工藝上實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，最終獲得了雙材料結(jié)合致密，且冶金性能優(yōu)異的樣品。

▲不同成分不銹網(wǎng)材料復(fù)合打印 ?升華三維

梯度功能材料3D打印應(yīng)用

2024年，升華三維在“上海TCT展”首發(fā)最新開(kāi)發(fā)的梯度功能材料打印法及金屬/陶瓷梯度功能材料3D打印機(jī)UPR-241。該技術(shù)與傳統(tǒng)粉末冶金法形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有設(shè)計(jì)自由度高、工序簡(jiǎn)單、設(shè)備及材料成本低等優(yōu)勢(shì)，且可直接使用粉末冶金法的燒結(jié)等后處理工藝，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度層的復(fù)雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。

▲FGM粉末擠出3D打印技術(shù)原理示意圖 ?升華三維

UPR-241采用了三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)，通過(guò)三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)成分比例、混合與擠出材料組份的實(shí)時(shí)調(diào)控?？刂祁w粒材料按梯度設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)控混合打印成型，可實(shí)現(xiàn)材料的梯度連續(xù)性變化。

▲金屬/陶瓷功能材料3D打印機(jī)UPR-241 @升華三維

隨著梯度打印設(shè)備推向市場(chǎng)，升華三維一直在深化其在不同金屬梯度功能材料的研發(fā)和應(yīng)用。目前已助力多個(gè)科研高校實(shí)現(xiàn)梯度功能材料的制備。以下應(yīng)用樣品為與某高校聯(lián)合開(kāi)發(fā)的鎢-銅梯度功能材料制備項(xiàng)目，該設(shè)備為其提供設(shè)計(jì)模擬和不同成分結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)支持，讓我們期待其科研成果的發(fā)布。

▲3D打印的鎢-銅梯度功能材料結(jié)構(gòu)樣品 @升華三維

金屬材料與加工制造是個(gè)跨多學(xué)科的融合應(yīng)用，面臨著諸多挑戰(zhàn)。但也存在著巨大的應(yīng)用空間，3D打印為金屬制造帶來(lái)了無(wú)限可能。在金屬增材的道路上，升華三維將持續(xù)精研核心PEP技術(shù)，不斷探索特種金屬材料應(yīng)用場(chǎng)景。

2025年，我們將進(jìn)一步加快金屬3D打印應(yīng)用的全方位布局。突破材料邊界和工藝限制，拓展前沿科學(xué)研究和應(yīng)用生產(chǎn)，加速傳統(tǒng)制造的智能化升級(jí)，為推進(jìn)增材制造行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造更多的價(jià)值。