难熔金属制成的PBF 3D打印零部件面面观
使用难熔金属进行3D打印是充满挑战的，特别是像钨、铬、铼这类熔点很高的金属，更别提纳米级粉末颗粒了。然而，这些金属——钼、铌、钽、钨和铼——不仅具有极强的耐热性和耐腐蚀性，而且即使在高温下也能保持其结构完整性。这使它们成为一系列具有挑战性的航空航天、工业和科学用途的绝佳选择。
用铌等难熔金属 3D 打印复杂的双壁涡轮叶片的能力为显着提高发动机工作温度铺平了道路©Castheon
挑战与机遇并存
挑战无处不在
通过传统加工工艺来加工难熔金属也是充满挑战的，一个普遍问题是难熔金属非常难以通过传统的制造方法进行加工，例如机械加工和成型。在此与其相对较高的成本之间，难熔金属的使用长期以来一直仅限于工件形状相对简单、材料去除量极少以及高温合金无法按需发挥作用的应用。
根据来自加利福尼亚州的Castheon公司，当前激光粉末床熔化 (LPBF)工艺 解决了与难熔金属和合金相关的大部分可制造性问题。尤其是金属增材制造技术允许创建拓扑优化的轻量级组件，这些组件包含多孔或晶格结构，否则这些组件的设计是不切实际甚至是不可能生产的。
以经济高效的方式制造熔点几乎是 INCONEL、哈氏合金和其他流行的耐热高温合金 (HRSA) 两倍的金属部件，金属3D打印难熔金属为一些令人兴奋的可能性打开了大门。更高的温度意味着更省油和更持久的燃气涡轮发动机，这对商业航空和发电行业至关重要。
3D 打印难熔金属对高超音速航空制造业也有应用潜力，根据3D科学谷的市场了解，美国宇航局、美国空军和其他机构长期以来一直对商业和军事用途的持续高超音速飞行感兴趣，然而，直到最近，才可能将难熔金属制造成支持 5 马赫及以上速度所需的复杂形状。
根据Castheon公司，金属增材制造不仅可以制造出各种适合3D打印的复杂形状，而且铌基合金比它们的锻造合金要稳定得多。在 1,300 摄氏度的温度下，它们的拉伸强度是其 1.8 倍。其他难熔金属，如钨和铼，也表现出类似的好处。
不过要想在3D打印难熔金属这个利基市场取得成功，还是充满挑战的。难熔金属合金和粉末的生产是充满挑战的，导致高成本和材料稀缺。由于狭窄的操作窗口和“独特的颗粒控制机制”，3D 打印难熔金属也非常具有挑战性。
喷气发动机，钽喷嘴段是为英国航天局项目制造的© H.C.Starck
钼、钨、钽和铌存在的一些挑战来自它们的体心立方原子结构，它们存在韧脆转变温度 (DBTT)。钼和钨等金属具有非常高的 DBTT，这会导致成品零部件中的应力积聚和微裂纹。
应对挑战的种种策略
对于锻造材料，可以通过冷加工等热机械工艺来减轻这些故障模式，但这对于 3D 打印组件来说是不切实际的。解决方法是将难熔金属与铼、镍和铁等元素合金化，以降低韧脆转变温度和减少应力。
打印工艺也很重要，例如可以通过加热构建板减少开裂，这是常见策略，有些机器能够达到 500 摄氏度或更高。这有可能缓解从液体到固体的转变，尤其是钼和钨，它们具有更高的 DBTT。
同样重要的是要注意构建室或粉末中的氧气对构建过程是有害的，因为过多的氧气会进一步增加 DBTT 和金属的微裂纹。在金属增材制造设备中拥有高质量的原料和良好的气氛控制对于打印难熔金属的成功至关重要。
然而，即使无法消除微裂纹及其导致的结构完整性损失，难熔金属仍然可以发挥重要作用。
例如，钨被广泛用于 X 射线和 CT 扫描仪中的抗散射网格准直器，它们的机械载荷水平要求与航空航天和军事应用中的机械载荷水平要求不同。而难熔金属表现出的优异的导热性和低热膨胀系数，使其非常适合用于热交换器和用于种植蓝宝石的坩埚。
再例如，由于其低 DBTT 和耐高温性，钽和钽钨合金 (Ta10W) 被选作卫星组件，要求其在超过 3,000 摄氏度的温度下表现出一致的导电性、极高的抗拉强度和最小的变形.
H.C.Starck参与的一个项目是为英国航天局打印一个电阻喷嘴段。该项目被称为超高温增材制造 Resistojets，或 STAR。（阻力喷气式发动机是一种简单的电力推进系统，它通过加热流体来产生推力。）
这个用于反应控制系统的推进器是用铌合金 3D 打印的© Castheon
根据3D科学谷的市场观察，金属增材制造难熔金属的开发项目带来了难以置信的灵活性，创建定制合金混合物的能力也是如此。一个富有想象力的应用空间是，将开发出“预合金”金属，在 3D 打印时提供了更好的一致性。例如，钛-锆-钼是一种流行的医用合金，而钼镧、钨铼和铌基合金 C-103，也获得了越来越多的应用探索。
通过LPBF，Binder Jetting技术打印的钨零件© H.C.Starck
定制化开发难熔金属© H.C.Starck
拿钨组件的 3D 打印来说，出了LPBF选区激光熔化金属3D打印技术，还可以通过EBM电子束技术来增材制造钨组件。国内企业中，西安铂力特、湖南伊澍智能制造等少数企业也在开发钨金属材料的增材制造应用。铂力特已利用SLM 3D打印设备开发出了钨合金3D打印零件，零件整体采用薄壁结构，最小壁厚仅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技术开展了对WC-Co硬质合金层-金刚石复合材料组分以及材料增材制造工艺参数的研究，该技术旨在解决硬质合金刀具涂层剥落的问题，利用增材制造工艺与材料，实现金刚石涂层材料与WC-Co硬质合金层以化学键方式的结合。
总之，在3D打印难熔金属，这里的潜力是巨大的，尤其是在航空航天和国防领域，一切才刚刚开始。
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