高比重鎢合金的增材製造工藝主要包含粉末擠出列印、選區(qū)鐳射熔化和粘結劑噴射三種工藝路線。這些技術通過逐層精密堆積，共同實現(xiàn)了複雜點陣結構、內部隨形流道及功能梯度材料的一體化近淨成形，在設計中享有很高的自由度。增材製造工藝能顯著縮短研發(fā)週期，提高材料利用率，優(yōu)化後的零件緻密度高，力學與抗輻射性能優(yōu)異，已廣泛應用於航空航太、醫(yī)療、國防等領域的高性能部件製造。
一、高比重鎢合金增材製造的主要工藝類型
1.粉末擠出列印技術（Powder Extrusion Printing，簡稱PEP）
粉末擠出列印技術是製造高比重鎢合金零件時常用的一種增材製造工藝。首先，需要將合金粉末與蠟-聚合物類粘結劑充分混合，製成可擠出的顆粒狀餵料，隨後，在溫度略高於粘結劑熔點的條件下，通過螺桿擠出機將餵料逐層堆積，直接獲得具有預期形狀的生坯零件。
(1)粉末擠出列印技術的工藝特點
粉末擠出列印有一個核心的工藝特點，就是成形與緻密化是分開進行的。因為生坯在較低溫度下就能成形，這能很好地避免熱裂紋和殘餘應力的產(chǎn)生，所以，它特別適合用來製造那些帶有內部空腔、薄壁或是結構複雜多孔的零件。此外，這項工藝的材料利用率很高，能達到95%以上，且它的燒結收縮率也比較可控，通常穩(wěn)定在15%~18%之間，很容易通過前期設計補償來實現(xiàn)精準的尺寸控制。
(2)粉末擠出列印技術的典型應用
基於這些優(yōu)勢，粉末擠出列印技術已在多個領域得到應用。在航空航太方面，它被用來製造航太發(fā)動機中帶複雜內部冷卻流道的噴注器和推力室。在核能與醫(yī)療領域，粉末擠出列印技術可用於生產(chǎn)核裝置的關鍵部件以及放療設備裡非常精密的準直器。在軍工上，它適合成形具有複雜內部結構的穿甲彈芯。在普通工業(yè)中，也能用來製作帶有隨形冷卻水路的模具鑲件，提升生產(chǎn)效率。
2.選區(qū)鐳射熔化
選區(qū)鐳射熔化（Selective Laser Melting，簡稱SLM），也叫鐳射粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，簡稱LPBF），是一種利用鐳射逐層熔化金屬粉末來製造零件的技術。它一般使用1064nm波長的光纖雷射器，對預先鋪展好的每一層鎢合金粉末進行選擇性掃描熔化，通過層層堆疊最終形成實體零件。選區(qū)鐳射熔化工藝對粉末的要求比較高，通常需要使用球形度好、粒徑在15~45μm之間、並且流動性良好的預合金粉末來完成。
(1)選區(qū)鐳射熔化的工藝特點
選區(qū)鐳射熔化能直接製造出相對密度超過98.5%的近乎全緻密的金屬零件。不過，由於材料熔點高、冷卻速度快，過程中容易出現(xiàn)熱裂紋和內部孔洞這類問題。因此在實際加工時，需要對工藝參數(shù)進行精細調整，比如鐳射功率通常要在400W以上、掃描速度控制在0.2~0.8m/s之間，還會採用像島狀掃描這類特定的掃描策略，同時把基板預熱到200~400℃。近年來，還出現(xiàn)了一些像雙鐳射重熔這樣的新方法，它通過第二道鐳射對已熔區(qū)域再次掃描，從而細化材料組織、減少內部缺陷，如果再搭配熱等靜壓這類後處理工序，零件的整體性能還能得到進一步改善。
(2)選區(qū)鐳射熔化的典型應用
憑藉其高精度和直接製造內部複雜特徵的能力，選區(qū)鐳射熔化技術在多個高端領域不可或缺。在醫(yī)療放療設備中，它被用於製造尺寸精確、耐磨性高的微型多葉準直器葉片，有助於實現(xiàn)更精確的輻射控制。在航空航太領域中，選區(qū)鐳射熔化用於生產(chǎn)火箭發(fā)動機上承受極端高溫的複雜部件，例如渦輪泵和噴注器。在國防軍工領域中，它能一體成型內部帶有複雜隨形通道的穿甲彈芯，在保證高密度的同時實現(xiàn)結構功能。此外，在科研與工業(yè)方面，選區(qū)鐳射熔化技術也用於製造高能物理探測器的精密準直元件，以及耐高溫的微型化工反應器等等。
3.粘結劑噴射技術(Binder Jetting，簡稱BJ)
粘結劑噴射技術的工作原理是依靠壓電噴頭將液態(tài)粘結劑選擇性地噴射到鋪設好的粉末層上，從而實現(xiàn)粉末顆粒的局部粘結，通過這種逐層疊加的方式，最終形成零件的生坯。成型後的生坯初始強度較低，其狀態(tài)類似于濕沙，因此通常需要將其埋置在粉末床中或使用專用夾具進行支撐固定，確保在搬運及後續(xù)處理過程中保持形狀，避免變形。
(1)粘結劑噴射技術的工藝特點
粘結劑噴射技術有一個突出的工藝特點，就是它在列印過程中通常不需要專門設計支撐結構，零件在成形時，可以直接由周圍未粘結的粉末床承托，這使得粘結劑噴射技術特別適合用於小批量或批量化的零件生產(chǎn)。同時，粘結劑噴射技術的列印速度相對較快，一次可以同時安排多個零件進行列印，有效提升了設備的整體利用率。在後處理階段，燒結是至關重要的環(huán)節(jié)。這一過程通常在氫氣等保護氣氛下進行，並通過分階段精確控制溫度，以確保材料能達到充分的緻密化。此外，最終零件的尺寸精度是多個因素綜合作用的結果，它會受到粉末顆粒大小、粘結劑在粉末中的擴散情況，以及燒結過程中不可避免的整體收縮等多種因素影響。
(2)粘結劑噴射技術的典型應用
粘結劑噴射技術特別適合用於製造那些結構較為精細、形狀複雜的中小型鎢合金部件。根據(jù)中鎢智造的經(jīng)驗總結，粘結劑噴射技術在多個領域都有具體的應用。
在醫(yī)療器械領域，主要用於批量生產(chǎn)個性化放射治療準直器內部所需的多葉光柵葉片，以及各種手術器械中起到平衡作用的配重塊。
在工業(yè)領域，常被用來製造應用於化工催化場景的、具有複雜三維孔道結構的多孔電極，以及要求耐腐蝕的篩檢程式和噴霧噴嘴。
軍工領域中，粘結劑噴射技術能夠高效生產(chǎn)設計有特定破片槽或內部空腔結構的小口徑動能穿甲彈彈芯，以及各類武器的配重體。
在通用工業(yè)零件方面，也適用於快速製造航空航太慣性導航系統(tǒng)中那些帶有複雜內部流道或為減重而設計的輕量化結構配重元件。
二、高比重鎢合金增材製造工藝的優(yōu)勢
高比重鎢合金的增材製造工藝憑藉其獨特的技術特性，在實際應用中展現(xiàn)出了多方面的顯著優(yōu)勢。
1.高比重鎢合金的增材製造工藝大幅提升了設計自由度
增材製造工藝顯著提升了高比重鎢合金的設計自由度，相比傳統(tǒng)的鑄造或機械加工方法，增材製造提供了更高的靈活性，尤其擅長將複雜的結構一次性整體製造出來。
輕質點陣與多孔結構
利用增材製造工藝，可以精確地構築具有週期性複雜構型的點陣或多孔金屬結構。這類結構能在確保零件功能的同時，有效降低自重，並通常擁有更好的比強度與能量吸收特性。
內部隨形流道
過去難以甚至無法加工的內部複雜空腔與流道，現(xiàn)在可以直接成型。例如，可以一體列印出內部帶有隨形冷卻流道的航空航太用鎢合金噴嘴，這種流道能緊密貼合部件形狀，從而優(yōu)化散熱路徑，顯著提升冷卻效率。
功能梯度材料（Functionally Graded Materials，簡稱FGM）
增材製造工藝還能實現(xiàn)材料成分的連續(xù)漸變，例如製備鎢/銅功能梯度材料。這種材料從純鎢端過渡到純銅端，中間通過多孔鎢骨架滲銅形成成分梯度，能夠很好適應同時要求耐高溫與高熱導率的複雜工況。
2.高比重鎢合金的增材製造工藝顯著縮短了研發(fā)與生產(chǎn)週期
高比重鎢合金的增材製造工藝，能夠顯著縮短產(chǎn)品從研發(fā)到生產(chǎn)的整體週期，它可以直接依據(jù)三維數(shù)位模型驅動設備進行製造，這極大地簡化並加速了從設計圖到實體零件的轉化過程。
從CAD模型到實體零件的快速轉化
它實現(xiàn)了從三維數(shù)位模型到實體零件的快速轉換。以粉末擠出列印技術為例，這種結合了3D列印與粉末冶金的工藝，可將小批量難熔金屬產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)週期，如45天，大幅縮短至約7個工作日，有效加速了產(chǎn)品的開發(fā)與上市進程。
無模具快速成型
由於省去了傳統(tǒng)製造中不可或缺的模具開發(fā)環(huán)節(jié)，增材製造工藝特別適用於小批量、定制化的產(chǎn)品生產(chǎn)，以及設計原型的快速打樣與反覆運算驗證。
3.高比重鎢合金的增材製造工藝實現(xiàn)了卓越的綜合性能
通過持續(xù)的工藝優(yōu)化，增材製造所獲得的高比重鎢合金部件，在關鍵性能指標上已能媲美甚至超越傳統(tǒng)工藝製品。
高緻密度與力學性能
經(jīng)過優(yōu)化的工藝可以使材料的緻密度達到98%以上，室溫抗拉強度不低於900MPa。例如，採用粉末擠出列印工藝結合液相燒結的93WNiFe合金，其綜合性能可以達到與傳統(tǒng)鍛造工藝相當?shù)乃疁省?/p>
優(yōu)異的抗輻射性能
高比重鎢合金對X射線和γ射線的吸收能力比傳統(tǒng)防護材料鉛高出30%~40%，且無毒環(huán)保，是製造CT機準直器、放射治療設備遮罩件等部件的理想材料。
出色的耐高溫與熱管理能力
高比重鎢合金本身具有高熔點、良好的高溫穩(wěn)定性與導熱性。例如，通過PEP技術成型的鎢合金部件可在1000℃高溫下保持良好的抗蠕變性能，滿足航空發(fā)動機等極端環(huán)境的要求。而鎢/銅功能梯度材料更能有效應對局部高熱負荷，在核聚變裝置等高技術領域展現(xiàn)出應用潛力。
